Kondensatory. a)w połączeniu z elementami indukcyjnymi mogą tworzyć obwody rezonansowe

Transkrypt

1 Kondensatory Kondensator o zmiennej pojemności, stosowany w starych odbiornikach radiowych 1.Kondensator - jest to element elektryczny (elektroniczny), zbudowany z dwóch przewodników (okładek) rozdzielonych dielektrykiem. Wszystkie kondensatory bez względu na ich typ i rodzaj charakteryzują się następującymi własnościami: a)w połączeniu z elementami indukcyjnymi mogą tworzyć obwody rezonansowe b) w przypadku prądu stałego, kondensatory stanowią dużą rezystancję i charakteryzują się tym, że na ich okładkach może zbierać się ilość ładunku określona przez ich pojemność c) w przypadku prądu zmiennego, kondensatory posiadają impedancję, która przede wszystkim zależy od ich pojemności, ale także od częstotliwości tego prądu

2 2.Graficzna reprezentacja kondensatorów - jest to symbol zwykłego kondensatora, niespolaryzowanego, jaki można spotkać na większości schematów ideowych. Za pomocą tego symbolu, także przedstawia się fizyczną pojemność kondensatora. - jest to symbol zwykłego kondensatora, spolaryzowanego, jaki można spotkać na większości schematów ideowych. - symbol ten przedstawia kondensator o zmiennej pojemności 3.Typy i rodzaje kondensatorów Kondensatory możemy podzielić pod względem rodzaju dielektryka jaki znajduje się pomiędzy ich okładkami. Rodzaj dielektryka poza tym określa także pojemność i znamionowość kondensatora. Rozróżniamy kondensatory: a)kondensatory ceramiczne - są to kondensatory wyprodukowane z ceramiki alundowej, rutylowej, a także ze steatytowej. Charakteryzują się niewielką wartością kąta stratności, oraz dużą pojemnością znamionową, która wraz z ich niewielkimi wymiarami stanowią ich główne zalety. Poza tym posiadają niewielką indukcyjność własną, co umożliwia stosowanie ich w obwodach o wielkiej częstotliwości napięcia. Mogą także być wykorzystywane jako pojemności sprzęgające. Kondensatory ceramiczne produkuje się w postaci 1 płytki, lub wielu płytek ceramicznych zaopatrzonych w metalową elektrodę. Kondensatory ceramiczne złożone tylko z jednej płytki ceramicznej nazywane są kondensatorami jednowarstwowymi, natomiast złożone z wielu płytek - kondensatorami wielowarstwowymi, lub też monolitycznymi. Zapotrzebowanie na tego typu kondensatory jest bardzo duże. Obecnie produkuje się kondensatory ceramiczne o pojemnościach od 0,5 pf do rzędu setek µf. Jednak bardzo rzadko można się spotkać z pojemnościami przekraczającymi 10µ, ponieważ są to już kondensatory bardzo kosztowne. b)kondensatory mikowe - do ich produkcji wykorzystuje się moskwit. Charakteryzują się niewielką wartością tangensa kątem stratności i małą wartością temperaturowego współczynnika pojemności. Pod względem konstrukcji przypominają kondensatory ceramiczne, ponieważ podobnie jak one mogą być wykonane z wielu warstw dielektryka. Elektrody ich wykonuje się ze srebra, ponieważ kondensatory te nie podlegają nagrzewaniu się w wysokich temperaturach. Wykorzystywana w nich mika najczęściej pochodzi z kopalni znajdujących się w Indiach, gdyż stamtąd pochodząca charakteryzuje się wyjątkową jakością. Jest to bardzo wdzięczny materiał do obróbki, ponieważ stosunkowo łatwo można z niego tworzyć płytki, które następnie zaopatruje się w elektrody. Wszelkie parametry jakie charakteryzują kondensator, czyli stratność, stabilność, czy rezystancja izolacji, a także inne, w przypadku tego rodzaju kondensatorów są bardzo korzystne i porównywalne z kondensatorami ceramicznymi i wykonanymi z tworzywa sztucznego. Ich głównym mankamentem są jednak dosyć duże rozmiary i wysoka cena i dlatego też bardzo często zamiast nich stosuje się kondensatory polipropylenowe. Jednak gdy już się je stosuje to wykorzystuje się je w obwodach wysokich częstotliwości, gdzie spełniają znakomicie wymagania dotyczące niewielkich strat i stabilnej pracy przy wysokich częstotliwościach. Obecnie produkuje się je o pojemnościach z zakresu od 1 pf, do 0,1 µf.

3 c)kondensatory papierowe - jak łatwo się domyślić są to kondensatory w których dielektrykiem jest materiał papierowy. Charakteryzują się niewielkimi rozmiarami, oraz dużymi wartościami pojemności, jednak posiadają dosyć duży współczynnik stratności dielektrycznej. Dielektrykiem który znajduje się pomiędzy okładkami jest najczęściej bibuła, którą nasącza się specjalnym olejem syntetycznym, parafinowym lub kondensatorowym. Z racji tego, że kondensatory papierowe są większe i droższe od tych wykonanych z tworzyw sztucznych, są często wypierane i zastępowane przez te drugie. Do zalet kondensatorów papierowych należy niewątpliwie zaliczyć ich dobrą odporność na napięcia impulsowe, oraz niewielką zawartość węgla, która w ich przypadku wynosi ok. 3%. W przypadku kondensatorów wykonanych z tworzyw sztucznych zawartość ta wynosi ok. 40% - 70%, co przemawia na korzyść kondensatorów papierowych ponieważ w ich przypadku istnieje mniejsze ryzyko samozapłonu. Czasami stosuje się kondensatory które oprócz warstwy papieru mają także warstwę foliową. Mówi się wtedy o mieszanym dielektryku. d)kondensatory elektrolityczne - pośród nich wyróżnimy kondensatory które posiadają elektrody aluminiowe lub tantalowe. Anodę, czyli biegun dodatni pokrywa cienka warstwa tlenku, która to spełnia rolę dielektryka, Aby zmniejszyć odległość pomiędzy warstwa tlenku, a katodą, czyli biegunem ujemnym stosuje się elektrolit, który charakteryzuje się ujemną rezystancją. e)kondensatory elektrolityczne aluminiowe mokre - kondensatory te charakteryzują się użyciem elektrolitu w skład, którego wchodzi kwas borowy, sól, glikol i rozpuszczalnik. Stosuje się elektrody strawione w wyniku kwaśnej kąpieli. Celem tego zabiegu jest uzyskanie chropowatej powierzchni takich elektrod, dzięki czemu ich powierzchnia wzrasta nawet ok. 300 razy. Jeśli chodzi o drugą warstwę dielektryka, czyli tlenek, który umieszcza się na anodzie to uzyskuje się ją w wyniku kąpieli w elektrolicie który zawiera wodę. Grubość takiej warstwy określa się w ten sposób, że musi ona wynosić ok. 13A, dla każdego jednego wolta napięcia, które ten kondensator powinien wytrzymać. Katoda także jest pokryta cienką warstwą tlenku, wynoszącą ok. 40 A. Pomiędzy obie warstwy tlenku, które pokrywają anodę i katodę umieszcza się cienki papier, który stanowi separator zapobiegający uszkodzeniu, jakie mogłoby wystąpić w wyniku kontaktu tych warstw ze sobą. Do bieguna ujemnego podłączona jest obudowa kondensatora, jednak nie może być ona wykorzystywana w postaci doprowadzenia, gdyż warstwa tlenku ma charakterystykę nieliniową bardzo podobną do charakterystyki diodowej. Maksymalne napięcie w kierunku zaporowym może wynieść 1,5 V. Gdy zostanie ono ewentualnie przekroczone, to może dojść do sytuacji fatalnej w skutkach. Obecnie produkuje się kondensatory tego typu o pojemnościach z zakresu od 0,1 µf, do 0,5 F. Kondensatory charakteryzujące się największą wytrzymałością elektryczną są w stanie pracować przy napięciach dochodzących do 500 V. Takie kondensatory najczęściej wykorzystuje się w układach filtrujących stosowanych w zasilaczach. Przy zastosowaniach związanych z prądami zmiennymi stosuje się kondensatory tzw. bipolarne. W ich przypadku stosuje się doprowadzenia do anod z warstwy tlenku, a między anodami umieszcza się katodę w postaci folii niezaopatrzonej w żadne doprowadzenia. f)kondensatory elektrolityczne aluminiowe suche - są to kondensatory, które produkowano już na początku XX wieku. Wówczas ich konstrukcja w znaczący sposób różniła się od dzisiaj stosowanej. W dzisiejszych czasach elektrolit w tego typu kondensatorach stanowi dwutlenek manganu, lub ograniczony półprzewodnik. Są to tzw. kondensatory stałe z aluminiowym elektrolitem, w skrócie SAL. W przypadku dwutlenku manganu, elektrolit na jego bazie charakteryzuje się niewielką rezystancją. Jeśli chodzi o elektrody to w tym wypadku także stosuje się ich trawienie w kwaśnej kąpieli, oraz kąpiel formującą, która

4 powoduje wytworzenie warstwy tlenku na aluminiowej elektrodzie. Pomiędzy tak wyprodukowane elektrody wstawia się separator wykonany z włókna szklanego i pokryty dwutlenkiem manganu. Aby uzyskać kształt kondensatora, cały taki układ zwija się lub odpowiednio skręca, po czym dołącza się wyprowadzenia i całość umieszcza się w specjalnej obudowie. Tak produkowane kondensatory odznaczają się od innych typów kondensatorów kilkoma własnościami. Po pierwsze charakteryzują się stosunkowo długimi czasami życia. Kolejną ich zaletą jest szeroki zakres temperatury w jakich mogą pracować, a co wynika z tego, że elektrolit który się w nich znajduje nie może wyparować. Temperatury te mieszczą się w zakresie od C do C, a w przypadku niektórych typów od C do C. Przy czym ich działanie w niewielkim stopniu zależy od temperatury. W przypadku ich przegrzania nie dochodzi do zwarcia. Czas życia tych kondensatorów nie zależy od temperatury, w jakiej pracują, ale zależy od napięć stosowanych. Kondensatory te produkowane są o wartościach pojemności z zakresu od 0,1 µf do 2200µF. W przypadku drugiego typu kondensatorów elektrolitycznych aluminiowych z suchym dielektrykiem stosuje się organiczny półprzewodnik. W skład tego półprzewodnika wchodzi kompleks soli, które określa się mianem TCNQ. Sole te charakteryzują się bardzo korzystnymi własnościami elektrycznymi i temperaturowymi. Konstrukcja tego typu kondensatorów pod pewnymi względami przypomina poprzedni typ kondensatorów. Tutaj także stosuje się elektrody trawione w kwaśnej kąpieli i umieszcza się między nimi separator. Wartość szeregowej rezystancji elektrycznej jest porównywalna z kondensatorami ceramicznymi, oraz tymi wykonanymi z tworzyw sztucznych. Kondensatory tego typu wykorzystuje się w filtrach zasilaczy, w produkcji zasilaczy z zamianą częstotliwości, gdzie wyniku stosowania dużej częstotliwości rezystancja szeregowa na tyle wzrasta, że pojemność staje się mniej istotna. W przeciwieństwie do kondensator wykorzystującego dwutlenek manganu ten nie może pracować w zbyt wysokich temperaturach i najwyższa w jakiej może działać to C, a najniższa to C. W przypadku napięcia w kierunku zaporowym, to jest on w stanie wytrzymać napięcie o wartości 10% napięcia nominalnego. Jeśli chodzi o czas życia, to jest on bardziej zależny od temperatury niż ma to miejsce w przypadku kondensatorów mokrych. W przypadku pracy w temperaturze C, czas życia wynosi ok godzin, natomiast w przypadku pracy w temperaturze 85 0 C, wzrasta już do ok godzin. W wyniku przepięcia może dojść do zwarcia, ale tylko w przypadku gdy prąd ma natężenie mniejsze niż 1A, oraz wartość temperatury jest mniejsza niż C (jest to także temperatura w której dochodzi do rozkładu elektrolitu). Jednak wówczas nie nastąpi trwałe uszkodzenie kondensatora. Kondensatory tego typu produkowane są o wartościach pojemności z zakresu od 0,1 do 220 µ. g)kondensatory tantalowe - w kondensatorach tych dielektryk stanowi materiał wykonany z tantalu, który to charakteryzuje się znakomitymi własnościami elektrycznymi. Anoda tego kondensatora produkuje się za pomocą metody spieków tantalowych proszkowych. W wyniku tego procesu anoda taka jest bardzo porowata - ok. 50% jej objętości stanowią pory, co powoduje zwiększenie jej wewnętrznej powierzchni ok. 100 razy w stosunku do powierzchni zewnętrznej. Tutaj także stosuje się kąpiel formującą w wyniku której pokrywa się elektrody warstwą tlenku tantalu. Po tym zabiegu elementy składowe kondensatora zanurzane są w roztworze dwutlenku tantalu. W ten sposób dochodzi do wypełnienia wszystkich porów anody. Katodę stanowi przewodząca srebrna farba i aby otrzymać kontakt z nią to stosuje się pokrycie z warstwy węgla w postaci grafitu. W starszych konstrukcjach stosowało się elektrolity odpowiednie dla kondensatorów tantalowych mokrych, jednak wysokie koszty ich uzyskiwania spowodowały to, że obecnie stosuje się materiały suche. Kondensatory wykonane z tantalu odznaczają się niewielką wartością rezystancji szeregowej, na którą

5 głównie wpływa niewielka rezystywność tantalu oraz dwutlenku tantalu. Charakteryzują się także małymi rozmiarami, mniejszymi nawet niż od kondensatorów aluminiowych, przy tych samych wartościach parametrów je określających. Do wad tych kondensatorów należy zaliczyć dużą podatność na zwarcia do których dochodzi w momencie przekroczenia granicznych wartości napięcia lub temperatury. Takie zwarcia mogą nawet doprowadzić do rozerwania kondensatora. W starszych typach tych kondensatorów stosowano rezystancję szeregową wynoszącą ok. 3 R na 1 wolt. Spowodowane to było wymaganiami dotyczącymi ograniczenia prądów ładowania i rozładowania, jednak to także powodowało wydzielanie się dużych ilości ciepła na kondensatorze. W obecnych konstrukcjach stosuje się rezystancję szeregową o wartości 0,1 R na 1 wolt, a to z praktycznego punktu widzenia oznacza, iż najczęściej nie jest wymagany żaden rezystor szeregowy, bo taką rezystancję posiadają już ścieżki miedziane i podłączone przewody. Jeśli chodzi o maksymalną wartość napięcia zaporowego, to wynosi ona ok. 15% wartości napięcia nominalnego w przypadku pracy w temperaturze 25 0 C, a w temperaturze 85 0 C - 5%. Kondensatory tantalowe produkowane są o wartościach pojemności z zakresu od 0,1 do 1000 µf. h)kondensatory wykonane z tworzyw sztucznych - są to kondensatory w których warstwę dielektryka pomiędzy okładkami stanowi materiał wykonany z tworzywa sztucznego. Charakteryzują się niewielkimi stratami, które wynikają z małej rezystancji okładek i wysokiej w przypadku izolacji. Kondensatory te jest stosunkowo łatwo wyprodukować i technologia w tym przypadku jest już tak dobrze opracowana, że ich ceny należą do jednych z najniższych. Są to kondensatory niespolaryzowane, odznaczające się niewielką wartością prądu upływu. Wykorzystuje się je zazwyczaj jako kondensatory szeregowe, lub jako kondensatory blokujące stosowane w układach analogowo - cyfrowych, w obwodach czasowych, oraz w filtrach LC. Okładki takich kondensatorów najczęściej stanowi folia metalowa, lub metalizowana. Zaletą zastosowania folii metalizowanej jest to, że jest ona produkowana w wyniku naparowania cienkiej warstwy metalu na powierzchnię dielektryka i w czasie ewentualnego przebicia metal ten wyparowuje w miejscu przebicia i nie dochodzi tym samym do zwarcia kondensatora. Jako dielektryk, najczęściej wykorzystuje się folię polistyrenową, poliestrową, lub też polipropylenową, co także stanowi kryterium podziału ich na następujące rodzaje: - kondensatory polistyrenowe - charakteryzują się niewielkim temperaturowym współczynnikiem pojemnościowym, oraz małą wartością tangensa kąta stratności. Wykorzystuje się je w obwodach o wysokich częstotliwościach. - kondensatory poliestrowe - charakteryzują się dużą wartością współczynnika stratności dielektrycznej. Wykorzystuje się je głównie w obwodach o stałych napięciach, lub o niewielkich częstotliwościach zmiennego napięcia. - kondensatory polipropylenowe - ich własności podobne są do własności kondensatorów polistyrenowych. Wykorzystuje się je głównie w obwodach o częstotliwości 50 Hz. Obecnie produkuje się kondensatory z tworzyw sztucznych o pojemnościach z zakresu od 10 pf, do 100 µf. i)kondensatory powietrzne. Dielektrykiem jest powietrze znakomicie pracują przy wysokich częstotliwościach, często wykonywane są jako kondensatory zmienne (strojeniowe).

6 4.Budowa 5. Zastosowanie a)kondensatory w układach zasilających W zasilaczach i stabilizatorach napięcia kondensatory pozwalają na podtrzymanie wartości chwilowej napięcia w przerwach pomiędzy kolejnymi impulsami prądu dopływającego z prostownika, ograniczają wahania napięcia i pozwalają na chwilowy pobór prądu o natężeniu znacznie przewyższającym wartość skuteczną lub średnią. W klasycznych zasilaczach transformatorowych stosuje się najczęściej kondensatory elektrolityczne o dużej pojemności. Od kondensatorów przeznaczonych do użycia w obwodach zasilających oczekuje się najczęściej wysokiej pojemności, możliwości pracy w dużym przedziale temperatur, wysokiej wartości napięcia przebicia (ściślej: bezwzględnego utrzymania wartości znamionowej tego napięcia określonej przez producenta) oraz odporności na krótkotrwały pobór prądu o dużym natężeniu. Nie jest istotna stałość pojemności w czasie ani liniowość charakterystyki: kondensatory te mogą pracować tylko przy określonej polaryzacji, zaś ich izolatory mogą być wykonane z materiałów ferroelektrycznych.

7 b)kondensatory przeciwzakłóceniowe W układach wytwarzających zakłócenia związane z szybkimi skokami pobieranego prądu (takich, jak silniki elektryczne, iskrowniki, tyrystorowe układy sterujące) kondensatory są elementami filtrów ograniczających przedostawanie się zakłóceń do sieci energetycznej (zob. jakość energii elektrycznej) oraz powstawanie zakłóceń radiowych. Kondensatory przeciwzakłóceniowe mają najczęściej niską rezystancję i indukcyjność doprowadzeń oraz wysokie napięcie przebicia, powinny umożliwiać przepływ prądu o dużej wartości chwilowej. c)kondensatory blokujące W elektronicznych układach cyfrowych (m.in. podzespołach komputerowych) pobór prądu z szyn zasilających może się zmieniać w czasie o kilka rzędów wielkości. Układy te (zwłaszcza wykonane w nowoczesnych technologiach CMOS) pobierają bowiem prąd praktycznie tylko podczas przełączania poziomów napięć, a przy tym jego chwilowa wartość może przy tym rosnąć od pikoamperów do kilku amperów. Ponadto, w układach synchronicznych (taktowanych wspólnym zegarem) wszystkie współpracujące ze sobą układy jednocześnie zwiększają zapotrzebowanie na prąd. Ze względu na oporność, a przede wszystkim - indukcyjność szyny zasilającej, taki impulsowy pobór prądu może prowadzić do bardzo dużych wahań napięcia zasilającego i w konsekwencji nieprawidłowej pracy układów. Aby zapobiec tym negatywnym zjawiskom, stosuje się kondensatory blokujące, podłączane równolegle z doprowadzeniami zasilania poszczególnych układów i umieszczane jak najbliżej nich. Kondensatory te powinny mieć jak najniższą indukcyjność pasożytniczą. W przypadku kondensatorów blokujących nie ma znaczenia napięcie przebicia ani stałość pojemności w czasie, w związku z czym typowe monolityczne i ceramiczne kondensatory blokujące mogą nie nadawać się do zastosowań innych, niż dedykowane. d)kondensatory sprzęgające Idealny kondensator o bardzo dużej pojemności może zostać włączony w dowolne miejsce obwodu prądu stałego nie powodując w nim jakichkolwiek zmian punktu pracy (po okresie przejściowym, związanym z ładowaniem się lub rozładowywaniem kondensatora, wszystkie napięcia i prądy osiągną wartości takie, jak bez kondensatora). Z kolei w obwodzie prądu zmiennego kondensator taki (przy pojemności dążącej do nieskończoności) zachowuje się jak źródło napięcia: nie zmienia składowej stałej napięcia w miejscu, do którego zostanie podłączony, i jednocześnie stanowi zwarcie dla składowej zmiennej. Dzięki temu kondensator można wykorzystać do przenoszenia sygnału (rozumianego jako zmiany prądu lub napięcia) pomiędzy różnymi fragmentami układu w taki sposób, że transmitowana jest tylko składowa zmienna (sygnał), a przy tym nie ulegają zmianie stałoprądowe warunki pracy połączonych kondensatorem podukładów. Kondensator pełniący taką rolę określany jest mianem kondensatora sprzęgającego. Kondensatory sprzęgające ułatwiają projektowanie analogowych układów elektronicznych, pozwalając na podzielenie ich na podukłady, z których każdy charakteryzuje się własnym punktem pracy i odpowiednim poziomem napięcia stałego. W szczególności, kondensatory sprzęgające są stosowane na wejściach i wyjściach wzmacniaczy i ich poszczególnych stopni. Kondensator sprzęgający powinien mieć jak najmniejszą upływność i jak największą (w praktyce: odpowiednią do dolnej granicy przenoszonego pasma częstotliwości sygnału) pojemność.

8 e)kondensatory do filtrów i układów czasowych Kondensatory są podstawowymi elementami analogowych filtrów pasywnych i aktywnych, służących do kształtowania charakterystyki częstotliwościowej określonych części układów (np. wzmacniaczy). Filtry i układy czasowe zbudowane w oparciu o kondensatory i rezystory noszą nazwę układów RC zaś filtry zawierające również cewki (w szczególności, układy rezonansowe) to elementy RLC. Od kondensatorów wchodzących w skład takich układów oczekuje się najczęściej wysokiej stabilności temperaturowej i długoczasowej, niskich strat w obszarze przenoszonych częstotliwości, a także doskonałej liniowości charakterystyki (izolatory używane do budowy takich kondensatorów nie mogą być ferroelektrykami). W przypadku kondensatorów używanych w obwodach wysokiej częstotliwości istotne są również detale związane z kształtem kondensatora i stratami energii elektrycznej na promieniowanie. f)kondensatory do lamp i innych układów wyładowczych W niektórych lampach wyładowczych (np lampach błyskowych i stroboskopach) oraz iskrownikach kondensator jest połączony równolegle z układem, w który pobór prądu narasta w bardzo krótkim czasie od zera do dużej wartości związanej z odbywającym się wyładowaniem. Do inicjacji wyładowania potrzebne jest na ogół wysokie napięcie, osiągane stopniowo w cyklu ładowania kondensatora. Iloczyn napięcia wyładowania i maksymalnego pobieranego prądu określa moc szczytową wyładowania, natomiast wycałkowana po czasie wartość iloczynu I U jest całkowitą energią impulsu. Kondensatory do takich zastosowań powinny mieć możliwie wysokie wartości obu tych parametrów, muszą mieć również niską rezystancję szeregową, wysokie napięcie przebicia, a w przypadku lamp pracujących cyklicznie - odporność na wysokie temperatury związane z wydzielaniem się ciepła na rezystancji szeregowej kondensatora. g)inne zastosowania Kondensatory mają też zastosowanie w sieciach elektroenergetycznych do kompensacji mocy biernej (poprawy współczynnika mocy).