Zrozumienie charakterystyk różnych rodzajów kondensatorów pod kątem ich stosowania

Kondensatory są urządzeniami do magazynowania energii, niezbędnymi zarówno w analogowych jak i cyfrowych układach elektronicznych. Stosuje się je w taktowaniu, do generowania i kształtowania fal, blokowania prądu stałego, sprzęgania sygnałów prądu zmiennego, filtrowania i wygładzania oraz oczywiście do magazynowania energii. Ze względu na szeroki zakres zastosowań pojawiło się wiele rodzajów kondensatorów wykorzystujących okładki wykonane z różnych materiałów, dielektryki izolacyjne i charakteryzujących się różnymi formami fizycznymi. Każdy z tych typów kondensatorów jest przeznaczony do określonego zakresu zastosowań. Szeroka gama opcji oznacza, że zapoznanie się ze wszystkimi i znalezienie optymalnego modelu dla danej konstrukcji pod względem charakterystyki działania, niezawodności, żywotności, stabilności i kosztów, może być czasochłonne.

Znajomość charakterystyk poszczególnych typów kondensatorów jest kluczowa dla właściwego dopasowania kondensatora do obwodu w danym zastosowaniu. Wiedza ta musi obejmować właściwości elektryczne, fizyczne i ekonomiczne kondensatorów.

W tym artykule opisano różne typy kondensatorów, ich charakterystyki oraz kluczowe kryteria ich doboru. Aby zilustrować główne różnice i cechy posłużymy się przykładami kondensatorów firm takich jak Murata Electronics, KEMET, Cornell Dubilier Electronics, Panasonic Electronics Corporation i AVX Corporation.

Czym jest kondensator?

Kondensator jest urządzeniem elektronicznym, które przechowuje energię w wewnętrznym polu elektrycznym. Obok rezystorów i cewek indukcyjnych jest to podstawowy pasywny element elektroniczny. Wszystkie kondensatory posiadają taką samą podstawową konstrukcję - są zbudowane z dwóch okładek przewodzących, oddzielonych izolatorem, zwanym dielektrykiem, który może być spolaryzowany za pomocą pola elektrycznego (ilustracja 1). Pojemność jest proporcjonalna do pola powierzchni okładki A i odwrotnie proporcjonalna do odległości pomiędzy okładkami d.

Ilustracja 1: Podstawowy kondensator składa się z dwóch okładek przewodzących oddzielonych nieprzewodzącym dielektrykiem, który magazynuje energię w spolaryzowanych obszarach w polu elektrycznym pomiędzy dwiema okładkami. (Źródło ilustracji: Digi-Key Electronics)

Pierwszym kondensatorem była butelka lejdejska, opracowana w 1745 roku. Składała się ona ze szklanego słoika wyłożonego folią metalową wewnątrz oraz na zewnątrz i pierwotnie służyła do przechowywania ładunków elektrostatycznych. Benjamin Franklin użył takiego urządzenia, aby udowodnić, że piorun to elektryczność, co stało się jednym z najwcześniejszych zarejestrowanych zastosowań kondensatora.

Pojemność podstawowego kondensatora równoległego można obliczyć za pomocą równania 1:

Gdzie:

C to pojemność w faradach

A to powierzchnia okładki w metrach kwadratowych

d to odległość pomiędzy okładkami w metrach

ε to przenikalność dielektryka

ε równa się przenikalności elektrycznej względnej dielektryka εr pomnożonej przez przenikalność elektryczną próżni ε0. Przenikalność elektryczna względna εr często nazywana jest stałą dielektryczną izolatora k.

W oparciu o równanie 1, pojemność jest bezpośrednio proporcjonalna do stałej dielektrycznej i powierzchni okładki oraz odwrotnie proporcjonalna do odległości pomiędzy okładkami. Aby zwiększyć pojemność, można zwiększyć powierzchnię okładek i zmniejszyć odległość między nimi. Ponieważ względna przenikalność próżni wynosi 1, a wszystkie dielektryki mają względną przenikalność większą niż 1, wprowadzenie dielektryka również zwiększy pojemność kondensatora. Kondensatory zazwyczaj dzieli się ze względu na rodzaj zastosowanego materiału dielektrycznego (tabela 1).

Tabela 1: Charakterystyki standardowych rodzajów kondensatorów, zależnie od zastosowanego materiału dielektrycznego. (Źródło tabeli: © Digi-Key Electronics)

Kilka uwag na temat wpisów w kolumnach:

• Względna przenikalność lub stała dielektryczna kondensatora wpływa na maksymalną wartość pojemności osiągalnej w przypadku danej powierzchni okładki i grubości dielektryka.
• Wytrzymałość dielektryka jest miarą odporności dielektryka na napięcie przebicia w funkcji jego grubości.
• Minimalna osiągalna grubość dielektryka ma wpływ na maksymalną pojemność, jak również na napięcie przebicia kondensatora.