Kondensatory. Konstrukcja i właściwości

Transkrypt

1 Kondensatory Konstrukcja i właściwości Zbigniew Usarek, 2018 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 Podstawowe techniczne parametry kondensatorów Pojemność znamionowa (i tolerancja) - wybrane z określonych ciągów liczb zależnych od tolerancji Napięcie znamionowe - mniejsze od napięcia przebicia, zależne od szybkości starzenia się dielektryka. Ze wzrostem częstotliwości maleje wytrzymałość elektryczna dielektryka i jest konieczne ograniczenie amplitudy składowej zmiennej napięcia. Współczynnik stratności tan δ= 1 ω R r C Rezystancja izolacji (R r ) i stała czasu (R r C)

3 Kondensator próżniowy Kondensatory próżniowe nie posiadają dielektryka - spomiędzy ich okładek odpompowano powietrze, jedynie obudowa jest wykonana z materiału dielektrycznego. Charakteryzują się najlepszymi z możliwych właściwościami - szczególnie widoczne jest to przy wysokich częstotliwosciach i dużych mocach. Z tego powodu stosuje się je w układach profesjonalnych takich jak nadajniki radiowe czy przemysłowe urządzenia dużej mocy. Podstawową wadą kondensatorów próżniowych jest ich niewielka pojemność.

4 Kondensator powietrzny (i inne gazowe) W kondensatorach gazowych dielektrykiem jest gaz - w najprostszym wypadku powietrze, a w kondensatorach o specjalnym przeznaczeniu często gaz obojętny. By zwiększyć odporność na przebicie stosuje się niekiedy gaz pod zwiększonym ciśnieniem. Charakteryzują się niewielkimi stratami dielektrycznymi. Stosuje się je w układach profesjonalnych takich jak nadajniki radiowe czy przemysłowe urządzenia dużej mocy. Podstawową ich wadą jest niewielka pojemność.

5 Kondensator zmienny powietrzny Kondensatory zmienne charakteryzują się tym, że ruchoma jedna z okładek porusza się umożliwiając zmianę pojemności kondensatora. Niegdyś były stosowane masowo do przestrajania obwodów rezonansowych i filtrów, ostatnio są wypierane przez strojenie elektroniczne. Małe kondensatory zmienne, zwane trymerami, są stosowane do dokładnego dostrajania układów elektronicznych.

6 Kondensator zmienny z dielektrykiem Kondensatory zmienne z dielektrykiem posiadają warstwę dielektryka pomiędzy ruchomymi okładkami. Umożliwia to osiągnięcie większej pojemności przy mniejszych wymiarach. Małe kondensatory zmienne z dielektrykiem ceramicznym, również zwane trymerami, są produkowane w rozmaitych odmianach. Praktycznie wyparły trymery powietrzne.

7 Kondensator foliowy dielektryk Kondensator foliowy jest zwijką złożoną z dwóch pasków metalowej (zwykle aluminiowej) folii przedzielonych warstwą dielektryka również w postaci cienkiej folii. margines folie metaliczne Niegdyś zamiast folii stosowano specjalną bibułkę nasyconą olejami. Obecnie stosuje się głównie polimery. Właściwości takiego kondensatora zależą w głównej mierze od zastosowanego dielektryka.

8 Kondensator foliowy metalizowany Kondensator foliowy metalizowany zbudowany jest z pary foliowych zwijek dielektryka, których jedna strona pokryta jest cienką warstwą metalu, stanowiącą okładkę. przesunięcie folii margines Warstwa metalu o mikronowej grubości Również i w tych kondensatorach rodzaj dielektryka ma duże znaczenie dla właściwości kondensatora. Obecnie jest to bardzo popularny rodzaj kondensatorów.

9 Kondensator foliowy czy metalizowany? Kondensator foliowy: wytrzymuje większe prądy, bardziej odporny na przeciążenia Kondensator foliowy metalizowany: mniejsze rozmiary dla danej pojemności, niekiedy sam naprawia się po przebiciu,

10 Dielektryki kondensatorów foliowych KSE: foliowy poliestrowy; MKSE: metalizowany poliestrowy; KSF: polistyrenowy foliowy; KSW: poliwęglanowy foliowy; MKSW: poliwęglanowy metalizowany; KSP: foliowy polipropylenowy

11 Dielektryki kondensatorów foliowych Zależność stratności kondensatorów foliowch od częstotliwości

12 Kondensator mikowy Kondensatory mikowe jako dielektryk posiadają wysokiej jakości płytki z miki (muskowitu), a okładkami są napylone z obu stron warstwy metaliczne. Kondensatory mikowe w zasadzie wyszły już z użytku, zostały wyparte przez kondensatory ceramiczne.

13 Kondensator ceramiczny Kondensatory ceramiczne należą do najpopularniejszych. Ich właściwości zależą w decydującej mierze od rodzaju ceramiki, z której są wytworzone. Różne rodzaje ceramiki mają nie tylko różną przenikalność dielektryczną i stratność, ale także różnią się znacznie zachowaniem się przy zmianach temperatury. Względne zmiany pojemności różnych kondensatorów ceramicznych w funkcji temperatury.

14 Kondensator ceramiczny Ceramika pierwszej grupy charakteryzuje sie stosunkowo dużą przenikalnością dielektryczną (50-160), znacznie malejącą przy wzroście temperatury. Współczynnik stratności nie jest duży, kondensatory nadają się do pracy również przy wysokich częstotliwościach. Kondensatory wykonane z takiej ceramiki stosuje się głównie do kompensacji temperaturowej zmian częstotliwości rezonansowej filtrów i układów rezonansowych. Techniczne nazwy ceramik to na przykład: tikond, rosalt, kerafar, kondensa C, tidol...

15 Kondensator ceramiczny Ceramika drugiej grupy charakteryzuje sie niezbyt wysoką przenikalnością dielektryczną (12-25). Zmiany przenikalności w funkcji temperatury są niewielkie (dodatnie lub ujemne). Współczynnik stratności jest bardzo mały, kondensatory nadają się szczególnie do pracy przy wysokich częstotliwościach. Z takiej ceramiki wyrabia się kondensatory dużej i średniej mocy wielkiej częstotliwości (na przykład do aparatury nadawczej), oraz trymery i kondensatory precyzyjne. Techniczne nazwy ceramik to na przykład: termokond, tetrabar, diakond, tiglin...

16 Kondensator ceramiczny Ceramika trzeciej grupy charakteryzuje sie dużą zawartością ferroelektryka. Przenikalność dielektryczna jest bardzo duża, ale bardzo silnie (i nieliniowo) zależy od temperatury, częstotliwości i napięcia. Współczynnik stratności jest duży. Kondensatory z takiej ceramiki charakteryzują się dużą pojemnością przy niewielkich wymiarach. Niestety, nadają się praktycznie tylko do pracy w obwodach prądu stałego (są na przykład masowo stosowane do odsprzęgania napięć zasilających).

17 Kondensator elektrolityczny W kondensatorach elektrolitycznych jedną okładziną jest elektrolit, a druga jest metalowa. Rolę dielektryka pełni warstwa tlenku wytworzona na okładzinie metalowej. Cechą charakterystyczną kondensatorów elektrolitycznych jest konieczność pracy przy określonej polaryzacji napięcia stałego przyłożonego do kondensatora. Najczęściej spotykane są kondensatory elektrolityczne z okładziną aluminiową. Charakteryzują się dużą pojemnością, ale stałość ich parametrów jest mała, a współczynnik stratności bardzo duży.

18 Kondensator elektrolityczny tantalowy Kondensatory tantalowe w porównaniu z aluminiowymi mają lepsze właściwości przy dużych częstotliwościach. Niestety, napięcie ich pracy jest ograniczone do kilkudziesięciu woltów. Ostatnio kondensatory tantalowe są zwykle produkowane ze spiekanym elektrolitem stałym.

19 Superkondensator Dwie nanoporowate elektrody Separator nasycony organicznym elektrolitem Wytrzymuje tylko bardzo niskie napięcia