Kondensatory

C

Niektóre kondensatory wygładzają kształt przebiegu prądu. Inne przepuszczają sygnały i sprzęgają je ze sobą. Specjalne kondensatory o zmiennej pojemności służą do przestrajania radia i wyszukiwania stacji.

Pojemnością elektryczną nazywamy zdolność przewodników do gromadzenia ładunków elektrycznych. Własność tę wykorzystano w kondensatorach.

Kondensator to układ dwóch przewodników (elektrody, opłatki, okładziny) przedzielonych dielektrykiem (materiałem izolacyjnym).

Jeżeli do kondensatora doprowadzimy napięcie zasilające (U) to na jego okładkach gromadzi się ładunek równy co do wartości lecz przeciwnego znaku. Proces gromadzenia ładunku nazywamy ładowaniem kondensatora. Trwa on do chwili gdy napięcie między okładkami osiągnie wartość napięcia zasilającego. Ładunek jednej elektrody nazywamy ładunkiem kondensatora, a zdolność kondensatora do gromadzenia ładunku nazywamy pojemnością kondensatora C, którą wyrażamy jako stosunek ładunku zgromadzonego w kondensatorze do napięcia przy którym został zgromadzony. Czyli C=Q/U. Jednostką jest jeden farad (1F)

C - jest to podstawowy parametr (podstawowa wielkość) kondensatora, podawana przez producenta. Pojemność nie zależy od ładunku i napięcia. Stosunek Q do U jest stały dla danego kondensatora. Pojemność zależy od konstrukcji kondensatora:
a) rodzaju dielektryka (E)
b) wymiarów kondensatora.

Wytrzymałością elektryczną dielektryka nazywamy maksymalną wartość natężenia pola, która jeszcze nie niszczy własności izolacyjnych dielektryka.

Kondensatory w układach mogą być łączone:
a) szeregowo
b) równolegle
c) mieszanie

Cechy charakterystyczne łączenia szeregowego: (jeżeli nie wiesz jak wygląda łączenie szeregowe zajrzyj na stronę o rezystorach)
a) ładunki na każdym kondensatorze mają jednakową wartość
b) napięcie całkowite przyłożone do gałęzi jest sumą napięć na poszczególnym kondensatorze
c) dowolną ilość szeregowo połączonych kondensatorów można zastąpić jednym. Zamiana ta nie może spowodować zmiany napięcia całkowitego U i ładunku zgromadzonego w układzie. Pojemność zastępczego kondensatora czyli pojemność zastępczą Cz obliczamy ze wzoru:

Cechy charakterystyczne połączenia równoległego: (jeżeli nie wiesz jak wygląda połączenie równoległe zajrzyj na stronę o rezystorach)
a) napięcie na każdym z kondensatorów jest jednakowe
b) ładunek całkowity jest sumą ładunków na poszczególnych kondensatorach
c) dowolną ilość równolegle połączonych kondensatorów można zastąpić jednym, nie może zmienić się napięcie U i ładunek układu. Pojemność zastępczą Cz obliczamy ze wzoru:

Cz = C1 + C2 + C3 ...

Połączenie mieszane to takie, w którym występuje łączenie równoległe i szeregowe.

Kondensator składa się z dwóch płytek przewodzących prąd elektryczny (elektrod), które są od siebie oddalone. Może on zostać naładowany ładunkiem elektrycznym. O zdolności magazynowania ładunku, czyli o pojemności kondensatora decyduje powierzchnia elektrod i odległość między nimi. Większa powierzchnia i mniejsza odległość, daje wyższą pojemność.

W celu zmniejszenia odstępu między elektrodami, stosuje się na izolatory materiały, które można wykonać w formie bardzo cienkiej folii np, tworzywa sztuczne, ceramikę lub warstwy tlenków. Materiały te charakteryzują się cechą fizyczną nazywaną przenikalnością elektryczną. Ujawnia się ona, gdy atomy umieszczone w polu elektrycznym ulegają polaryzacji w wyniku odkształcenia orbit elektronów na zewnętrznych powłokach. Powstają tak zwane dipole, które mogą się obracać i przyjmować ten sam kierunek, jaki ma pole elektryczne. W efekcie tego, zmniejsza się wpływ odległości między elektrodami i pojemność wzrasta. Ta cecha powoduje, ze materiał izolacyjny nazywa się dielektrykiem.

Czynnikiem który w największym stopniu wpływa na pojemność kondensatora, poza powierzchnią i odległością elektrod, jest zdolność dielektryka (w ujęciu makroskopowym) do przyjęcia ujemnego ładunku w pobliże dodatniej elektrody, i dodatniego ładunku w pobliże elektrody ujemnej, co powoduje że wpływ odległości między elektrodami zmniejsza się.

W celu obliczenia pojemności kondensatora, korzystamy z następującej zależności:

C = e x A/d

gdzie C = pojemność w faradach,
A = powierzchnia w m^2,
d = odstęp miedzy elektrodami w m,
e= przenikalność, która właściwie jest iloczynem eo x er gdzie eo jest przenikalnością próżni, i wynosi 8,85 x 10^-12 a er jest liczbą względną, która określa przenikalność dielektryka w stosunku do przenikalności w próżni er nazywana jest często stałą dielektryczną lub liczbą pojemnościową.

Z tego wynika, że wybór dielektryka w decydującym stopniu wpływa na pojemność kondensatora i jego wymiary. Istnieją jednak inne cechy (zalety i wady) materiałów, które powodują, że nie zawsze można stosować materiał o najwyższej stałej dielektrycznej.

Kilka przykładów zastosowań kondensatorów:
Jako kondensator sprzęgający, blokujący napięcie stałe, ale przepuszcza dalej napięcie zmienne. Jako kondensator blokujacy, zwierający napięcie zmienne, które występuje razem z napięciem stałym.

W filtrach i obwodach rezonansowych, gdzie najczęściej wspólnie z elementem indukcyjnym lub rezystorem, stanowi obwód rezonansowy lub obwód filtra np, w oscylatorze albo filtrze separującym głośnika.

Np. w zasilaczu sieciowym znajdują się kondensatory do magazynowania energii, która jest używana do filtrowania (wygładzania) napięcia stałego.

W obwodach czasowych wykorzystuje się ładowanie i rozładowywanie kondensatora do określenia czasu. Przykładem tego jest multiwibrator astabilny.

Jako elementu odkłócającego, używa się kondensatora, który może pochłonąć krótkie impulsy napięcia tak np, jak w obwodzie RC przyłączonym do cewki przekaźnika. Używa się również kondensatorów np. typu X lub Y w celu tłumienia zakłóceń o wysokich częstotliwościach (RFI). Przy prądach zmiennych wysokiego napięcia, używa się często do pomiarów pojemnościowych dzielników napięcia. Nie mają one takich dużych strat jak rezystancyjne dzielniki napięcia.

Kondensator, przy przepływie prądu zmiennego, stanowi opór zależny od częstotliwości, który jest nazywany reaktancją pojemnościwą (Xc).

Xc = 1/( w x C)

gdzie Xc = reaktancja W,
m = pulsacja (2 x p x f) w Hz,
C = pojemność w faradach.

Energię którą można magazynować w kondensatorze wylicza się ze wzoru:

E = 1/2 x C x U^2

gdzie E = energia w kondensatorze w joulach (Ws),
C = pojemność w faradach,
U = napięcie w voltach.

Pod pojęciem pojemności C, rozumie się zdolność kondensatora do przyjęcia tadunku Q w coulombach, na volt przyłożonego napięcia U. Jest to opisane wzorem :

C=Q/U

Jednostką pojemności jest farad, który ma wymiar A x s/V. Pojemność 1 farada posiada kondensator w którym ładunek 1 coulomba powoduje powstanie napięcia 1 volta.

Naładowanie i rozładowanie kondensatora zajmuje zawsze pe- wien czas. Zmiany ładunku wiążą się z kolei z przepływem prądu przez jakąś rezystancję. Najniższa rezystancja to rezystancja doprowadzeń elektrod. Przez stałą czasową t rozumiemy czas, który jest potrzebny żeby ładunek osiągnął 63,2% (1- e^-1) maksymalnego napięcia.

t = R x C

gdzie t podany jest w sekundach o ile R podane jest w W, a C w faradach. Przyjmuje się, że kondensator jest całkowicie natadowany, po czasie 5 x t.

W celu lepszego zrozumienia zależności między parametrami kondensatora, należy przyjąć następujący uproszczony schemat zastępczy:

gdzie Rs = rezystancja szeregowa wyprowadzeń i elektrod , elektrolitu, jak również straty w dielektryku,
Ls = indukcyjność doprowadzeń i elektrod,
C = pojemność,
Rp = rezystancja izolacji w dielektryku.

Poprzez skrót ESR (zastępcza rezystancja szeregowa) rozumiemy całkowite straty w kondensatorze, które poza rezystancją szeregową doprowadzeń i elektrod Rs, obejmują straty w dielektryku, powstające przy oddziaływaniu na niego zmiennego pola elektrycznego. ESR jest funkcją częstotliwości i temperatury.

Straty powodują wzrost temperatury, która musi być kontrolowana, o ile jej wzrost jest znaczny. Do opisania rezystancji strat stosuje się współczynnik strat (tand). Wyraża się zależnością:

tand = ESR/Xc

Współczynnik strat jest więc stosunkiem ESR do reaktancji Xc. Moc wydzielana w kondensatorze wyrażona jest zależnością:

P = U2 x w x C x tand

Gdy częstotliwość przyłożonego napięcia jest równa tej, przy której zmierzono ESR, można powyższy wzór zapisać:

P= U^2 x ESR

ESL (szeregowa indukcyjność zastępcza), jest indukcyjnością wyprowadzeń i elektrod Ls. Indukcyjność współczesnych kondensatorów zwykle zawiera się w zakresie 10-100 nH.

Impedancja kondensatora jest przedstawiona zależnością:

Z= ÖESR^2 + (Xc - XL)^2

gdzie Z = impedancja w W,
Xc i XL jest odpowiednio reaktancją pojemnościową i indukcyjną przy danej częstotliwości.

Jednym z parametrów kondensatora jest częstotliwość rezonansu własnego, który występuje gdy wartości bezwzględne Xc i Xl są sobie równe i kompensują się wzajemnie. Przy tej częstotliwości impedancja jest równa ESR.

Rezystancja dielektryka w kondensatorze (Rp) nigdy nie jest nieskończona, gdyż zawsze istnieje jakiś przepływ prądu. Prąd ten nazywamy prądem upływu. Powoduje on samorozładowanie kondensatora. Może to być czynnikiem krytycznym np,w obwodach czasowych.

Wiele parametrów kondensatora zależy od temperatury np, stała dielektryczna, ESR i prąd upływu. Dlatego w zależności od zakresu temperatury w którym kondensator będzie pracował należy wybierać odpowiedni rodzaj dielektryka.

Do opisu zmian pojemności w funkcji temperatury służy współczynnik temperaturowy. Można go podać w ppm/°C (milionowa część na stopień Celsjusza).

Poza tym wiele parametrów jest mniej lub bardziej zależnych od częstotliwości i napięcia, co może być również czynnikiem wpływającym na wybór dielektryka.

Odporność na napięcie impulsowe określa, z jaką częstotliwością kondensator może być ładowany i rozładowywany. Zmiany napięcia powodują przepływ prądu przez elektrody i doprowadzenia, w rezystancji których następuje wydzielenie pewnej mocy. Gdy gęstość prądu w elektrodach będzie duża, wzrasta oporność własna, a w związku z tym straty mocy. Przy bardzo wysokich prądach może nastąpić stopienie i wyparowanie elektrod i wówczas w kondensatorze powstaje ciśnienie gazów, które może mieć fatalne skutki. Zmiany napięcia prowadzą ponadto do strat w dielektryku, które wspólnie ze stratami w rezystancji powodują wzrost temperatury kondensatora. Odporność na napięcie impulsowe jest podawane łącznie z napięciem pracy, które jest równe nominalnemu.

Odporność na napięcie impulsowe jest parametrem katalogowym i zależy od przyjętych warunków badania. W zależności od przyjętej metody (zgodnej z obowiązującymi normami) ilość impulsów, ich częstotliwość, wzrost temperatury itd., mogą być różne.

Prąd, wywołany zmianą napięcia można wyliczyć z następującego wzoru:

l = C x (DV/Dt)

Jeżeli pojemność C i odporność na napięcie impulsowe DV/Dt podana jest odpowiednio w mF i V/ms to prąd I otrzymujemy w A.

Maksymalne napięcie pracy zależy od wielu czynników m.in. od wytrzymałości elektrycznej dielektryka, jego grubości, odległości między elektrodami i wyprowadzeniami, rodzaju obudowy. Odporność na przebicie zależy od temperatury i częstotliwości. Dlatego należy uważać, żeby nie przekroczyć maksymalnego napięcia w danych warunkach. Nawet gdy nie nastąpi bezpośrednie przebicie dielektryka zbyt wysokie natężenie pola elektrycznego może spowodować długotrwałe zmiany w dielektryku. Kiedy kondensator został naładowany a dipole dielektryka powstały i zostaty obrócone w kierunku napięcia pola, to po rozładowaniu kondensatora nie wszystkie powracają do swojej pierwotnej pozycji. Te dipole, które pozostały w swoim nowym położeniu powodują, że w rozładowanym kondensatorze pozostaje pewne napięcie. Zjawisko to nazywa się absorpcją dielektryczną i występuje w większym lub mniejszym stopniu we wszystkich kondensatorach. W niektórych zastosowaniach np. w obwodach próbkujących, podtrzymujących i w układach audio, wymaga się, żeby była ona tak niska jak tylko to jest możliwe. Absorpcję dielektryczną mierzy się w procentach napięcia początkowego, po pewnym czasie od początku zwarcia. Istnieje cały szereg znormalizowanych metod pomiaru tego parametru.

Kondensatory z tworzywa sztucznego, w których warstwę dielektryka stanowi tworzywo sztuczne mają małe straty dzięki niskiej rezystancji elektrod i wysokiej rezystancji izolacji. Technologiczność konstrukcji umożliwia automatyzację produkcji i w efekcie niskie ceny. Są one niepolaryzowane (nie odgrywa roli, która z elektrod będzie dodatnia a która ujemna) i mają bardzo mały prąd upłtywu.

Używa się ich jako kondensatorów szeregowych lub blokujących w układach analogowych i cyfrowych, w obwodach czasowych i filtrach Lc. Produkowane pojemności zawierają się w granicach od 10 pF do 100 mF.

Elektrody wykonuje się w postaci folii metalowej lub folii metalizowanej. Folia metalizowana powstaje w wyniku naparowania próżniowego cienkiej warstwy metalu na dielektryk. Zaletą tego rozwiązania jest to, że przy przebiciu elektrycznym naparowany metal wyparowuje wokół miejsca przebicia i w ten sposób nie dochodzi do ewentualnemu zwarcia. Istnieje wiele różnych technologii wykonania, poniżej podajemy przykłady tych najczęściej spotykanych :

Wewnętrzne połączenie szeregowe powoduje większą odporność kondensatora na napięcia impulsowe. We wcześniejszych konstrukcjach kondensatorów z tworzywa sztucznego doprowadzenia były wykonywane przewodem dołączonym do jednego z końców zwoju folii metalizowanej. W nowoczesnych kondensatorach tego typu, na zwinięty rulon folii nanosi się kontakt metalowy przy użyciu metalizacji natryskowej. Dzięki temu można całą stronę nawiniętej folii połączyć z wyprowadzeniem i tym samym znacznie zmniejszyć rezystancję i indukcyjność kondensatora.

Do wyrobu kondensatorów stosuje się wiele różnych tworzyw sztucznych :
Poliester (PET politereftalano-etylen) jest tworzywem z którego można uzyskać cienkie folie (możliwe jest wytworzenie folii ok. 1mm) łatwe do metalizacji, co z kolei umożliwia otrzymanie kondensatorów o małych wymiarach i niskiej cenie. Poliester ma jednak najgorsze parametry wśród nowoczesnych tworzyw sztucznych. Kondensatory poliestrowe z elektrodami z folii metalowej, oznaczane są często KT a jeśli są z folii metalizowanej MKT. Używa się ich w wielu mniej odpowiedzialnych miejscach układów elektronicznych np. przy odsprzęganiu.

Poliwęglan (PC) pozwala również otrzymać bardzo cienkie folie. Jest stosunkowo łatwy do metalizacji. Ma niższa stałą dielektryczną od poliestru co powoduje, że wykonane z niego kondensatory są nieco większe i droższe. Tworzywo to ma jednak znacznie niższą stratność elektryczną i lepszą stabilność. Kondensatory oznaczone są analogicznie literami KC i odpowiednio MKC, o ile są z folii metalizowanej. Kondensatory poliwęglanowe są stosowane w tych miejscach układów elektronicznych, gdzie można wykorzystać ich wysoką stabilność np. w strojonych filtrach i generatorach.

Polipropylen (PP) z trudem udaje się przerabiać na folie. Wymaga poza tym wstępnej obróbki, aby mógł być metalizowany. Kondensatory polipropylenowe są jednocześnie duże i drogie w porównaniu z poliestrowymi i poliwęglanowymi. Zaletą ich są bardzo małe straty, wysoka stabilność i niska absorpcja dielektryczna. Kondensatory polipropylenowe z elektrodami z folii, nazywane są KP, a o ile są z folii metalizowanej MKP. Kondensatory polipropylenowe używane są często w zastosowaniach impulsowych i tam gdzie istotna jest niska absorpcja dielektryczna np, w obwodach próbkujących i podtrzymujących, jak również w urządzeniach audio.

Polistyren (styrol, styroflex) jest jednym z pierwszych tworzyw sztucznych, które w coraz większym stopniu zastępowane jest przez poliwęglany i polipropylen. Metalizuje się z dużymi trudnościami, a niska wytrzymałość elektryczna powoduje, że folie polistyrenowe muszą być dużo grubsze niż wykonane z innych tworzyw sztucznych. Polistyren posiada jednak bardzo niską stratność, wysoką stabilność i niską absorpcję elektryczną. Wykonane z niego kondensatory używane są w bardzo odpowiedzialnych miejscach obwodów elektrycznych np. w filtrach.

Siarczek polifenylu (PPS) jest materiałem, którego główną cechą jest odporność na wysokie temperatury, dobra stabilność i bardzo niskie straty. Wadą jest niska wytrzymałość elektryczna. Powoduje to konieczność stosowania folii z tworzywa o większych grubościach.

Kondensatory papierowe są w większości zastosowań zastępowane kondensatorami warstwowymi z tworzyw sztucznych. Pomimo wysokiej stałej dielektrycznej, kondensatory papierowe są większe oraz droższe niż z tworzyw sztucznych. Zaletami kondensatorów papierowych jest odporność na napięcia impulsowe i niska zawartość węgla (ok, 3%, dla porównania: 40-70% w tworzywach sztucznych), co powoduje bardzo dobre własności samoregenerujące i małe ryzyko zapłonu. W dzisiejszej dobie używane są one niemal wyłącznie jako kondensatory odkłócające (kondensatory X i Y ), w których można wykorzystywać zalety papieru w stosunku do tworzyw sztucznych.

Czasami stosuje się równocześnie folię plastikową jak i papier. Mówi się wówczas o mieszanym dielektryku, w którym usiłuje się wykorzystać zalety każdego z nich.

Kondensatory ceramiczne są produkowane z jednej lub wielu ptytek ceramicznych z nałożoną elektrodą metalową. Kondensator ceramiczny z pojedynczą warstwą dielektryka nazywany jest jednowarstwowym, "single plate" lub kondensatorem płytkowym. Gdy kondensator zbudowany jest z wielu warstw dielektryka i elektrod, nazywany jest wielowarstwowym albo kondensatorem monolitycznym. Podaż różnych materiatów i wykonań kondensatorów jest ogromna. Kondensatory ceramiczne produkuje się o pojemnościach od 0,5pF do wielu setek mF. Kondensatory powyżej 10 mF są jednak rzadko spotykane, ze względu na wysoką cenę.

MATERIAŁY ceramiczne dzielą się na trzy grupy.

Klasa 1 są to materiaty o niskiej stałej dielektrycznej. Charakteryzują się wysoką stabilnością, nie tylko w funkcji temperatury, ale również częstotliwości, napięcia i czasu. Mają bardzo niską stratność również przy wysokich częstotliwościach. Kondensatory jednowarstwowe wytwarzane są o pojemnościach od 0,47 do 560 pF. Kondensatory wielowarstwowe (miltilayer), produkowane z dielektryka NPO, mają wartości od 10 mF do 0,1 mF, Stosowane są w układach, w których wymaga się wysokiej stabilności przy krytycznych warunkach temperatury, np. w układach oscylatorów.

Dielektryki klasy 1 posiadają prawie liniowy współczynnik temperaturowy i oznakowane są literą P lub N, która wskazuje czy współczynnik jest dodatni, czy ujemny jak również cyfrą, która jest równa współczynnikowi.

Klasa 2 to materiaty o wysokiej stałej dielektrycznej, Mają nieliniową zależność w funkcji temperatury, częstotliwości i napięcia. Istnieje wielka różnorodność tego typu dielektryków o różnych własnościach. Posiadają niskie straty przy umiarkowanych parametrach. Starzenie w nich przebiega w tempie 1- 5% na dekadę, czyli 10 lat. Dielektrykom ceramicznym można przywrócić początkowe parametry poprzez podgrzanie ich do temperatury Curie, która wynosi ok. 150° C.

W klasie 2 wytwarzane są kondensatory jednowarstwowe o pojemnościach 100 mF do 0,1 mF i wielowarstwowe od 10 pF do 10 mF, Używane są w niezbyt krytycznych zastosowaniach np, jako kondensatory odsprzęgające i blokujące.

Dielektryki klasy 2 oznaczane są literą K i liczbą, która odpowiada stałej dielektrycznej wg normy EIA, z trzema znakami, z których dwa pierwsze wskazują na zakres temperatury pracy, a trzeci mówi o zmianie pojemności w tym zakresie temperatur.

Klasa 3 dielektryków bazuje na materiałach ferroelektrycznych i często ma ziarnistą (domenową) strukturę wewnętrzną, gdzie mała pojemność pomiędzy poszczególnymi ziarnami wspólnie tworzy dużą pojemność wynikową. Materiał ma z grubsza biorąc takie same albo nieco gorsze parametry, jak ceramika klasy 2, ale wytrzymałość napięciowa jest mała. Często 16 lub 50 V jest maksymalnym napięciem pracy. Ekstremalnie wysoka stała dielektryczna powoduje, że kondensatory o dużych pojemnościach można wykonywać w obudowach o małych wymiarach i o niskiej cenie. Produkowane są z pojemnościami od 1000 pF do 1mF.

Kondensatory mikowe zbudowane są podobnie jak ceramiczne kondensatory wielowarstwowe, ale ponieważ nie podlegają wygrzewaniu w wysokich temperaturach, elektrody można wykonać ze srebra. Mika jest minerałem wydobywanym w kopalniach indyjskich, gdzie jego jakość jest szczególnie wysoka. Jest to minerał twardy i odporny, charakteryzujący się tym, że rozdziela się na cienkie płytki, które można wyposażyć w elektrody. Właściwości elektryczne np, rezystancja izolacji, stratność i stabilność są doskonałe i całkowicie porównywalne z najlepszymi tworzywami sztucznymi i ceramiką. Kondensatory mikowe są jednak względnie duże i drogie, co powoduje, że w znacznym stopniu zastępowane są m,in, przez kondensatory polipropylenowe. Stosuje się je często w układach wielkiej częstotliwości, gdzie wymagane są nie tylko niskie straty, ale również wysoka stabilność częstotliwości i temperatury. Produkowane są o wartościach pojemności od 1pF do 0,1 mF.

Kondensatory elektrolityczne mają elektrody aluminiowe albo tantalowe. Powierzchnia anody (biegun dodatni) jest pokryta bardzo cienką warstwą tlenku, która pełni rolę dielektryka. W celu zmniejszenia odległości między warstwą tlenku i katodą (biegun ujemny) używa się elektrolitu o niskiej rezystancji.

Kondensatory elektrolityczne aluminiowe mokre zawierają elektrolit złożony z kwasu borowego, glikolu, soli i rozpuszczalnika. Elektrody są wytrawione w kąpieli kwaśnej, w celu uzyskania powierzchni porowatej. W ten sposób powierzchnia wzrasta aż do 300 razy. Warstewka dielektryka (tlenku) na anodzie jest formowana (buduje się ją), w kąpieli z elektrolitem zawierającym wodę, do grubości ok. 13 A na każdy Volt napięcia, które ma on wytrzymać. Również katoda posiada cienką (ok.40A) warstwę tlenku.

Aby zapobiec wzajemnemu kontaktowi warstw tlenku elektrod, które mogłyby przez to ulec uszkodzeniu, umieszcza się między nimi separator z cienkiego papieru. Obudowa kondensatora połączona jest do bieguna ujemnego. Obudowa nie może być jednak używana jako doprowadzenie.

Warstwa tlenku ma charakterystykę nieliniową zbliżoną do diodowej. Maksymalne napięcie w kierunku zaporowym wynosi 1,5 V. O ile zostanie ono przekroczone, to następstwa mogą być fatalne.

ESR (zastępcza rezystancja szeregowa) kondensatora elektrolitycznego aluminiowego jest względnie wysoka, zależna od wysokiej rezystywności elektrolitu w porównaniu np. z aluminium lub miedzią. Zależność od temperatury jest bardzo duża, szczególnie przy niskich temperaturach. W dolnej granicy temperatury ESR może być 20 razy wyższe niż w temperaturze pokojowej. Zmiana pojemności zależna od temperatury wynosi +/- 20% dla całego zakresu temperatury pracy.

Prądy upływu przez dielektryk są określane przy napięciu nominalnym. Dla niższego napięcia prąd zmniejsza się. Przy połowie napięcia nominalnego, prąd upływu wynosi zaledwie 20% nominalnego. Prądy upływu wzrastają ze wzrostem temperatury. W pobliżu górnej granicy zakresu temperaturowego, prąd może wzrosnąć 10 razy.

"Żywotność" jest określeniem mało precyzyjnym, Przez żywotność kondensatora elektrolitycznego rozumiemy czas pracy do momentu, kiedy jeden z parametrów takich jak np. pojemność, współczynnik strat i prąd upływu przekroczy wartość graniczną. Istnieje wiele różnych metod pomiaru czasu życia, co utrudnia porównania. Przede wszystkim w wyniku różnorodnych zmian fizyko-chemicznych starzeje się elektrolit. W nowoczesnych kondensatorach elektrolitycznych używa się rozpuszczalników, które mimo dobrego zamknięcia wyparowują i kondensator wysycha. Wysoka temperatura kondensatora znacznie przyspiesza proces starzenia. Np, obniżenie temperatury o 10° C podwaja czas życia.

Kondensatory elektrolityczne aluminiowe mokre, produkowane są o pojemnościach od 0,1 mF do 0,5 F. Najwyższa wartość wytrzymałości elektrycznej produkowanych kondensatorów elektrolitycznych nie przekracza 500V. Najczęściej tego typu kondensatory stosuje się jako elementy filtrujące w zasilaczach. Dla celów zmiennoprądowych produkuje się specjalne kondensatory, tzw. bipolarne. Posiadają one doprowadzenia dołączone do anod z warstw tlenku. Między anodami znajduje się folia katodowa bez doprowadzenia.

Suche elektrolity aluminiowe. Ich produkcję rozpoczęto na początku naszego wieku. Różniły się one znacznie od dzisiejszych suchych kondensatorów aluminiowych. Dla odróżnienia, współczesne typy, często kondensatory z dwutlenkiem manganu lub organicznymi półprzewodnikami jako elektrolit, nazywamy kondensatorami stałymi z aluminiowym elektrolitem (SAL).

Elektrolit na bazie dwutlenku manganu posiada niską rezystancję. Elektrody aluminiowe są wytrawiane i zanurzane w kąpieli formującej, w celu wytworzenia warstwy tlenku. Między tak wykonane elektrody wprowadza się separator z włókna szklanego pokryty dwutlenkiem manganu. Całość jest zwijana lub zginana dla uzyskania kształtu kondensatora. Następnie dołącza się wyprowadzenia i umieszcza w odpowiedniej obudowie.

Tak wykonane kondensatory posiadają wiele cech wyróżniających je od innych kondensatorów elektrolitycznych np.: długi czas życia - ponieważ elektrolit nie może wyparować, szeroki zakres temperatury pracy -55 do + 175° C, a niektóre typy -80 do + 200° C. Wytrzymałość do 30% napięcia nominalnego w kierunku zaporowym w sposób ciągły. Niewielka zależność od temperatury (również przegrzanie nie powoduje następstw w postaci zwarć). Temperatura nie wpływa tak silnie na czas życia jak przy innych elektrolitach. Zależny jest on jednak od napięcia. Wytwarza się je o pojemnościach od 0,1 do 2200 mF.

W drugim z omawianych typów kondensatorów stosuje się jako elektrolit "półprzewodnik organiczny". Składa się on z kompleksu soli, zwanych TCNQ, które posiadają bardzo dobre cechy elektryczne i termiczne. Również ten kondensator posiada wytrawiane elektrody rozdzielone separatorem. Jego ESR porownywalny jest z kondensatorami ceramicznymi i wykonanymi z tworzyw sztucznych.

Typ ten nadaje się do zastosowania w filtrach zasilaczy, zasilaczach z przemianą częstotliwości, gdzie następstwem występowania dużej częstotliwości jest to, że wartość ESR staje się bardziej istotna niż pojemność. Nie wytrzymuje on równie wysokich temperatur co kondensator z dwutlenku manganu. Najwyższą dozwoloną temperatura jest 105° C, przy niskich temperaturach (aż do -55° C) posiada on podobnie jak typ z dwutlenku manganu, bardzo niską odchyłkę pojemności i ESR. Wytrzymuje on ok.10% napięcia nominalnego w kierunku zaporowym. Czas życia jest bardziej zależny od temperatury niż w zwykłych elektrolitach mokrych. Wzrasta on z 2000 godzin przy 105° C do 20000 godzin przy 85° C.

Następstwem przepięcia może być zwarcie, lecz gdy prąd jest mniejszy niż 1A, temperatura zaś niższa niż, 200° C (temperatura rozkładu elektrolitu), kondensator nie zostanie uszkodzony w sposób trwały. Produkuje się je o wartościach od 0,1 do 220 mF.

Kondensatory tantalowe posiadają jako dielektryk tlenek tantalu, o znakomitych własnościach elektrycznych. Anoda kondensatora wykonywana jest metodą spieków proszkowych z tantalu. Ok. 50% objętości składa się z porów, co powoduje, że powierzchnia wewnętrzna jest 100 razy większa niż zewnętrzna. Po pokryciu warstwą tlenku tantalu w kwaśnej kąpieli formującej, elementy kondensatora zanurza się w roztworze dwutlenku manganu, który wypełnia wszystkie pory. Aby otrzymać kontakt z katodą, która składa się z przewodzącej farby srebrnej, pokrywa się element kondensatora warstwą węgla w postaci grafitu. Starsze typy kondensatorów tantalowych z mokrym elektrolitem w obudowie srebrnej, zostały zastąpione przez typy suche ze względu na wysokie koszty produkcji.

Kondensatory tantalowe posiadają niską wartość ESR dzięki niskiej rezystywności tantalu i dwutlenku tantalu. Mają one również znacznie mniejsze wymiary niż kondensatory elektrolityczne aluminiowe o porównywalnych parametrach. Używane są w układach elektronicznych jako kondensatory odsprzęgające, blokujące, magazynujące energię oraz w układach czasowych, gdzie niska upływność jest cechą najważniejszą. Dużą wadą kondensatorów tantalowych jest tendencja do zwarć, gdy napięcie lub temperatura przekroczą wartości graniczne. Spowodować to może rozerwanie kondensatora. Wcześniej w układach z kondensatorami tantalowymi zalecano stosowanie rezystancji szeregowej o wartości 3 W na volt, aby ograniczyć prądy ładowania i rozładowania, co oczywiście powodowało straty mocy i wydzielanie ciepła. W nowoczesnych kondensaorach zaleca się rezystancję rzędu 0,1 W na volt, co oznacza, że najczęściej nie jest potrzebny żaden rezystor szeregowy, ponieważ rezystancja ścieżek miedzianych i przewodów daje dostateczne zabezpieczenie. Maksymalne napięcie zaporowe wynosi ok. 15% napięcia nominalnego przy 25° C, ale maleje ze wzrostem temperatury. Przy 85° C jest ono tylko 5% w kierunku zaporowym. Elektrolity tantalowe mają dobrą stabilność temperaturową. Produkuje się je o pojemnościach od 0,1 do 1 000 mF.

Kondensator dwuwarstwowy (kondensator back-up, super cap, goldcap, itd. ) jest czymś pośrednim między kondensatorem i baterią elektryczną. W przeciwieństwie do innych typów nie posiada dielektryka. Zbudowany jest z wielu pojedynczych elementów połączonych szeregowo, z których każdy składa się z dwóch warstw węgla aktywnego, zwilżonych elektrolitem. Warstwy węgla są oddzielone separatorami, przepuszczającymi jony i zamknięte w hermetycznej osłonie gumowej. Gdy do kondensatora przyłożone zostaje napięcie, to cząstki węgla w warstwie anodowej zostają naładowane dodatnio, a katodowej ujemnie, wówczas jony ujemne elektrolitu wędrują przez separator i zbierają się wokół dodatnich cząstek węgla. Podobnie zbierają się dodatnie jony w warstwie katody. W ten sposób można gromadzić duże ładunki elektryczne. 1 gram proszku węglowego może teoretycznie dać pojemność od 200 do 400 Faradów.

Ponieważ elektrolit komórek zawiera wodę, to maksymalna wytrzymatość elektryczna wynosi 1,2 V na komórkę. Powyżej tego napięcia woda ulega hydrolizie na tlen i wodór. Kondensatory te stosowane są niemal wyłącznie jako rezerwa napięcia m.in, w układach pamięciowych i mikroprocesorowych. Używa się ich również do przechowania energii w krótkich okresach czasu np. jako dodatkowa energia, żeby uruchomić silnik, przyiągnąć przekaźnik albo wygenerować impuls zapłonowy.

Posiadają one wysokie ESR od 1 do 300 W, które w znaczny sposób ograniczają prąd rozładowania. Można je naładowaćw ciągu 1 minuty i mają czas życia dłuższy niż 10 000 cyklów naładowania i rozładowania lub 10 lat pracy z doładowywaniem. Prąd upływu (samorozładowywanie) wynosi ok. 1 mA, co powoduje, że po upływie jednego miesiąca na kondensatorze jest w dalszym ciągu ok, 50% napięcia. Duża zależność od temperatury powoduje, że w zakresie od -25 do +70° C, pojemność zmienia się od -50 do +150%. ESR przy -25o C jest 3 razy wyższe niż w temperaturze pokojowej. Są one niepolaryzowane ale to doprowadzenie, które połączone jest do obudowy zaleca się jako biegun ujemny. Ten typ kondensatorów produkuje się o pojemnościach od 10 mF do 22F, ale prace rozwojowe wskazują na możliwość wytwarzania jeszcze większych pojemności.

Autor: Unknown