Kondensatory – Jak to działa? Zasady działania i zastosowanie

Jak działa kondensator?

Przez kilkadziesiąt lat rozwoju elektroniki na rynku pojawiły się tysiące grup i odmian elementów elektronicznych. Niektóre z nich są wręcz egzotyczne, stosowane jedynie w ściśle określonych, wąskich grupach zastosowań i dostępne jedynie dla określonych przedsiębiorstw. Inne natomiast stanowią bazę, bez której nie można wyobrazić sobie żadnego, nawet najprostszego układu elektronicznego. Do tej drugiej grupy należą niewątpliwie kondensatory, czyli trzecia – obok rezystorów i cewek – podgrupa elementów biernych (zwanych także pasywnymi). Zastosowanie kondensatorów jest tak szerokie, że nie sposób wymienić wszystkich możliwych scenariuszy użycia. Taka lista nie miałaby też większego sensu – dlatego zamiast listy zastosowań, w tym artykule przedstawimy najczęściej spotykane w praktyce układy pracy kondensatorów. Nic bowiem lepiej nie obrazuje właściwości danego elementu, jak przykłady realnych aplikacji.

Co to jest i do czego służy kondensator?

Budowa i zasada działania kondensatora są banalnie proste – dwie płaszczyzny przewodnika (najczęściej metalu), zwane fachowo okładkami, oddzielone są od siebie cienką warstwą dielektryka (izolatora). Po przyłożeniu do nich napięcia stałego, ładunki o przeciwnych znakach gromadzą się na odpowiednich okładkach – jest to efekt wytworzonego pomiędzy nimi jednorodnego pola elektrycznego. Po odłączeniu kondensatora od źródła napięcia, ładunki zgromadzone na okładkach pozostają – mówimy, że kondensator został naładowany.

Miarą ilości ładunków, które może zgromadzić dany kondensator, jest jego pojemność. Wyrażamy ją w faradach (F), choć zdecydowana większość kondensatorów ma pojemności znacznie mniejsze, rzędu bilionowych (pF – pikofarad), miliardowych (nF – nanofarad) czy milionowych (uF – mikrofarad) części jednostki podstawowej. Jeżeli wyobrazimy sobie kondensator jako dwie płaskie, równoległe metalowe płytki o powierzchniach S, ustawione w odległości d, to pojemność C kondensatora będziemy mogli wyliczyć ze wzoru:

C = ε0 εr S / d

,przy czym stała ε0 oznacza tzw. przenikalność dielektryczną próżni (równą w przybliżeniu 8,85 * 10-12 F/m), zaś εr to względna przenikalność dielektryczna zastosowanego dielektryka. Jak widać, na pojemność kondensatora możemy wpłynąć modyfikując trzy parametry: powierzchnię okładek, odległość pomiędzy nimi oraz przenikalność izolatora. Jeżeli chcemy uzyskać kondensator o dużej pojemności, powinniśmy zastosować duże okładki, zmniejszyć odległość pomiędzy nimi oraz zastosować możliwie „dobry” dielektryk. Nie ma jednak nic za darmo: zwiększając powierzchnię okładek, nieuchronnie zwiększamy gabaryty kondensatora, zaś zmniejszając odległość pomiędzy okładkami, obniżamy maksymalne napięcie, z jakim może pracować kondensator. Przy bardzo cienkiej warstwie dielektryka, już niewielkie napięcie wystarczy, aby przebić cienki izolator, powodując zwarcie, czyli – najprościej mówiąc – nieodwracalne uszkodzenie kondensatora.

Jak zatem poradzili sobie z tymi problemami konstruktorzy kondensatorów? W przypadku tzw. kondensatorów foliowych, okładki mają postać długich pasków cienkiej, metalowej folii, przedzielonych równie długim i cienkim paskiem folii z odpowiedniego tworzywa sztucznego. Złożone komponenty są następnie ciasno zwijane, tworząc – po uprzednim podłączeniu wyprowadzeń (drucików) i zalaniu całości specjalną żywicą – finalny produkt, czyli wysokiej jakości kondensator.

Nieco inną budowę mają kondensatory elektrolityczne – ich pojemności są wielokrotnie wyższe, ponieważ rolę dielektryka pełni wytworzona chemicznie, cienka warstwa tlenku na powierzchni jednej z okładek. Rolę drugiej okładki pełni elektrolit pokrywający tlenek i stanowiący interfejs pomiędzy dielektrykiem, a drugim paskiem aluminiowej folii.

Dzięki niezwykle małej grubości tlenku oraz dużej powierzchni okładek (uzyskanej poprzez chemiczne trawienie metalowej folii), pojemności kondensatorów elektrolitycznych są bardzo wysokie – generalną zasadą jest przy tym, że jeżeli dwa kondensatory o zbliżonej kubaturze różnią się pojemnością, to najczęściej kondensator o dużej pojemności będzie miał niższe dopuszczalne napięcie pracy. Zasada „krótkiej kołdry”, czyli technologicznego kompromisu, daje tutaj o sobie znać wyjątkowo czytelnie.

Rodzaje kondensatorów

Wspomniane wcześniej kondensatory foliowe charakteryzują się dobrą stabilnością parametrów (przede wszystkim pojemności), potrafią też pracować przy wysokich napięciach (rzędu kilkuset woltów). Z tego względu są chętnie stosowane przede wszystkim w sieciowych obwodach zasilania. Pojemności kondensatorów foliowych utrzymują się na poziomie od około 1 nF do maksymalnie kilkudziesięciu mikrofaradów.

Kondensatory elektrolityczne oferują bardzo wysokie pojemności (od pojedynczych mikrofaradów do kilkudziesięciu faradów – w tym ostatnim przypadku mówimy o tzw. superkondensatorach). Zazwyczaj jednak jest to okupione albo sporymi wymiarami, albo niskim napięciem maksymalnym. Kondensatory tego typu mają dość małą dokładność pojemności (często rzędu +/- 20 %) i wykazują dość spore wahania tego parametru w funkcji temperatury otoczenia, napięcia pracy oraz… czasu, czyli – prościej mówiąc – mają tendencje do starzenia się. Rozróżniamy dwie główne grupy kondensatorów elektrolitycznych: aluminiowe (tańsze, ale o nieco gorszych parametrach) i tantalowe (drogie, ale wysokiej klasy). Warto dodać, że czołowi producenci kondensatorów stale pracują nad nowymi rodzajami kondensatorów, zbliżonych budową do obecnie stosowanych elementów, jednak oferujących jeszcze lepsze parametry elektryczne. Kondensatory elektrolityczne występują zarówno w formie elementów do montażu przewlekanego (THT), jak i powierzchniowego (SMD). Schematyczne oznaczenie kondensatora elektrolitycznego różni się od oznaczenia innych typów kondensatorów z uwagi na tzw. polaryzację – dokładniej opisaliśmy ją w dalszej części artykułu.

Trzecią – oprócz wyżej wymienionych – grupą najczęściej stosowanych kondensatorów są kondensatory ceramiczne. Ich budowa jest nieco zbliżona do kondensatorów foliowych, choć – z uwagi na kruchość ceramiki – okładziny nie są oczywiście zwijane w postaci spirali, ale układane niejako „równolegle” w postaci wielowarstwowej „kanapki”. Kondensatory te charakteryzują się najniższymi spośród wymienionych odmian elementów pojemnościami (od pojedynczych pikofaradów do kilkunastu mikrofaradów), mają jednak inne, bardzo korzystne z praktycznego punktu widzenia cechy: oferują dobrą (lub nawet doskonałą) stabilność temperaturową, małą tolerancję pojemnościową (czyli dokładnie „trzymają” nominalną pojemność, określoną przez producenta) oraz małe straty. Także w tym przypadku kondensatory mogą występować zarówno w obudowach do montażu przewlekanego, jak i powierzchniowego. Ponieważ – tak, jak w przypadku kondensatorów foliowych – także kondensatory ceramiczne nie mają oznaczonej określonej polaryzacji, więc ich symbol nie różni się od tego, używanego w odniesieniu do kondensatorów foliowych.

Polaryzacja kondensatorów elektrolitycznych, czyli jak podłączyć, by uniknąć wybuchu

Tak, to prawda – kondensator elektrolityczny (szczególnie o większych wymiarach) potrafi eksplodować, jeżeli zostanie niewłaściwie zastosowany. Istnieją dwa główne scenariusze układowe, których elektrolity „nie znoszą”. Pierwszy z nich, jak zresztą dla każdego kondensatora (i nie tylko) wiąże się z przekroczeniem maksymalnego napięcia pracy. Kondensatory elektrolityczne są na to szczególnie „wyczulone”, z uwagi na wspomnianą wcześniej bardzo niewielką grubość dielektryka. O ile jednak kondensator potraktowany zbyt wysokim napięciem przeważnie ulegnie wewnętrznemu zwarciu (co może de facto doprowadzić do poważnych zniszczeń w całym układzie), to jeszcze bardziej niewskazane jest podłączanie kondensatorów elektrolitycznych do napięć o polaryzacji przeciwnej, niż wynika to z oznaczenia końcówek, umieszczanych na obudowach tych elementów.

Ta „wrażliwość” kondensatorów elektrolitycznych wynika z zachowania płynnego elektrolitu – odwrotne napięcie powoduje gwałtowne wytwarzanie gazów, które po przekroczeniu granicy wytrzymałości obudowy kondensatora mogą doprowadzić do jego wybuchu. Z tego powodu nie należy stosować kondensatorów elektrolitycznych w tych miejscach układu, w których polaryzacja napięcia może osiągać różne znaki (przede wszystkim dotyczy to napięć przemiennych). Na marginesie dodajmy, że można spotkać specjalne kondensatory elektrolityczne dostosowane do użycia w układach o zmiennej polaryzacji (a także techniki poprawnego stosowania w nich klasycznych „elektrolitów”) – najczęściej jednak można poradzić sobie z konstrukcją układu bez konieczności stosowania takich wynalazków.

Ładowanie i rozładowanie kondensatora

Teoretycznie kondensator powinien utrzymywać stan naładowania dowolnie długo, o ile nie zostanie podłączony do obciążenia, które spowodowałoby przepływ prądu i w efekcie rozładowanie kondensatora (spadek napięcia pomiędzy okładkami kondensatora do zera). Jak to zwykle w praktyce bywa, żadna sytuacja nie jest idealna.

Kondensator, nawet jeżeli zostanie całkowicie odłączony od reszty układu, i tak po pewnym czasie ulegnie tzw. samorozładowaniu – wynika to z nieidealnych właściwości dielektryka, przez który zawsze może przepłynąć pewien (znikomy, ale jednak) prąd. Stopień tego zjawiska zależy od rodzaju dielektryka oraz budowy kondensatora.

Jeżeli natomiast kondensator zostanie podłączony do obciążenia (np. rezystora), napięcie na nim spadnie, a czas spadku będzie zależny od wartości prądu rozładowania. Im większa jest (zastępcza) rezystancja obciążenia lub pojemność kondensatora, tym dłuższy jest czas rozładowywania do określonej wartości. Ponieważ taki właśnie układ pracy (ładowanie i rozładowanie przez szeregowy rezystor) jest spotykany bardzo często w praktycznych układach, warto zapamiętać pomocny wzór:

τ = RC,

gdzie τ oznacza tzw. stałą czasową, określającą czas, w którym napięcie spadnie (podczas rozładowania) lub wzrośnie (podczas ładowania) o ok. 63,2 % wartości maksymalnej. Przykładowo, jeżeli kondensator o pojemności 100 uF jest ładowany przez rezystor o wartości 20 kΩ napięciem 10 V, to po czasie równym stałej czasowej τ:

τ = 100 * 10-6 * 20 * 103 = 2 s

napięcie na kondensatorze osiągnie wartość 63,2 % napięcia zasilania, czyli 6,32 V.

Warto zwrócić uwagę, że (roz)ładowanie kondensatora przez rezystor następuje silnie nieliniowo. Dokładniej rzecz biorąc, przebiegi napięcia (a także prądów) mają kształt krzywej wykładniczej. W niektórych układach jest jednak możliwe uzyskanie liniowego (jednostajnego) wzrostu lub spadku napięcia na kondensatorze – jest to możliwe przy zastosowaniu źródła prądowego bezpośrednio z kondensatorem. Tak pracują niektóre generatory oraz układy kształtowania impulsów.

Łączenie kondensatorów

Podobnie jak w przypadku rezystorów, także kondensatory mogą być łączone zarówno szeregowo, jak i równolegle. W przypadku połączenia równoległego, wypadkowa (zastępcza) pojemność obwodu jest sumą poszczególnych pojemności, czyli:

Cw = C1 + C2 + … Cn

Z kolei pojemność połączenia szeregowego może być wyliczona za pomocą wzoru:

Cw = 1 / (1/C1 + 1/C2 + … 1/Cn)

Warto zwrócić uwagę, że forma ww. wzorów jest dokładnie odwrotna, niż w przypadku łączenia rezystorów (gdzie to właśnie szeregowe łączenie daje w efekcie sumę poszczególnych rezystancji).

Filtracja zasilania

Jednym z podstawowych, najprostszych i jednocześnie najczęściej stosowanych układów pracy kondensatorów są filtry oraz odsprzęganie zasilania. Filtracja napięcia lub – prościej mówiąc – „wygładzanie” napięcia zasilania jest możliwe dzięki pojemności kondensatora. Naładowany kondensator, włączony równolegle do napięcia zasilania układu lub jego części, jest w stanie szybko oddać potrzebną ilość energii, jeżeli w danym momencie rośnie pobór prądu zasilania danego obwodu. Małe, ceramiczne kondensatory lepiej radzą sobie z małymi, ale bardzo szybkimi zmianami, zaś duże kondensatory elektrolityczne nie są w stanie „zobaczyć” niewielkich, szybkich zmian, ale za to znacznie łatwiej radzą sobie z chwilowym podtrzymaniem zasilania podczas spadku jego wartości.

Dlatego w obwodach zasilania stosuje się równoległe połączenie obu tych rodzajów kondensatorów. Odsprzęganie w to ogólne określenie metod „separowania” poszczególnych bloków urządzenia w taki sposób, aby zakłócenia generowane przez jeden obwód nie przenosiły się na drugi poprzez szyny zasilania. Podstawową metodą odsprzęgania jest montowanie kondensatorów ceramicznych w pobliżu końcówek zasilania układów scalonych.

Jak dobrać wartość kondensatora do układu zasilania?

Najczęściej stosowane w praktyce są kondensatory ceramiczne o wartości rzędu 47..100 nF (odsprzęganie oraz filtracja wysokich częstotliwości)

oraz elektrolityczne o pojemności, zależnej od pobieranego prądu. Przykładowo, dla większości mikrokontrolerów wystarczające są lokalne kondensatory elektrolityczne rzędu 10uF, zaś obwody zasilania dużych wzmacniaczy audio korzystają z całych, potężnych baterii kondensatorów o pojemnościach rzędu wielu tysięcy mikrofaradów.

Kondensator jako element filtru sygnałowego

Jeżeli masz pod ręką rezystor i kondensator, możesz bez problemu zbudować z pomocą tych dwóch elementów całkiem przyzwoite, choć proste filtry, pozwalające na kształtowanie charakterystyk częstotliwościowych sygnałów. Co ciekawe i ważne, sposób działania filtru zależy od wzajemnego połączenia obu elementów, zaś parametry elektryczne – od oporności rezystora i pojemności kondensatora. Filtr górnoprzepustowy przepuszcza bez zmian sygnały o częstotliwościach (w przybliżeniu) powyżej określonej częstotliwości granicznej, którą można wyliczyć ze wzoru:

f [Hz] = 1 / (2 pi R[Ω] C[F])

Z kolei filtr dolnoprzepustowy będzie „odcinał” (czyli osłabiał) sygnały o wysokich częstotliwościach, zaś napięcie stałe i częstotliwości poniżej granicznej (de facto określonej takim samym wzorem, jak dla filtru górnoprzepustowego) pozostaną bez zmian.

Dzięki możliwości praktycznie dowolnego kształtowania charakterystyk filtrów RC, układy te są niezwykle rozpowszechnione praktycznie w całej elektronice.

Obwody LC

Kondensatory wchodzą w skład obwodów LC – połączenie cewki i kondensatora ma bowiem szczególnie ciekawe właściwości. Parametry takiego obwodu (zarówno szeregowego, jak i równoległego) także – podobnie, jak w przypadku obwodu RC – zmieniają się w zależności od częstotliwości sygnału, jednak w diametralnie inny sposób. Przykładowo, obwód równoległy znacząco zwiększa swoją impedancję dla sygnałów o tzw. częstotliwości rezonansowej i zmniejsza ją dla innych zakresów pasma. Obwody LC były niegdyś bardzo chętnie stosowane w wielu urządzeniach, szczególnie układach radiowych. Dzisiaj, z uwagi na spory stopień integracji układów nadawczo-odbiorczych, takie układy są stosowane w znacznie mniejszej ilości, choć nadal stanowią niezwykle istotną część obwodów w.cz.

Podsumowanie

Nie sposób w krótkim artykule ująć nawet znacznej części najbardziej klasycznych zastosowań kondensatorów. Mając podstawowe informacje o rodzajach, sposobach łączenia i sposobie działania kondensatorów możesz jednak rozpocząć eksperymenty, które – jak w każdym przypadku – pozwolą Ci naocznie poznać działanie tych przydatnych elementów.

Zobacz pozostałe artykuły z serii elektronika na naszym blogu!

Dodaj komentarz