Rodzaje i cechy kondensatorów

Kondensatory to pasywne komponenty, które przechowują ładunek elektryczny. Ta prosta funkcja może być wykorzystana na różne sposoby w różnorodnych aplikacjach, zarówno w układach z prądem przemiennym, stałym, obwodach analogowych, jak i cyfrowych. Przykłady użycia obejmują systemy mierzenia czasu, kształtowania sygnałów, sprzęgania sygnałów, filtrowania i wygładzania sygnałów, dostrajania telewizorów i odbiorników radiowych, tworzenie oscylatorów i – przy użyciu superkondensatorów - gromadzenia ładunku na potrzeby takich podzespołów, jak lampy błyskowe. Ta różnorodność, w połączeniu z możliwością skalowania tych komponentów w celu gromadzenia różnej ilości energii oraz oddawania różnej ilości mocy w postaci określonego prądu i napięcia oznacza, że kondensatory muszą być dostarczane w różnych rozmiarach, o różnych kształtach i wyprodukowane za pomocą różnych technologii.

W niniejszym artykule przyglądamy się kondensatorom i znaczeniu pojemności elektrycznej. Następnie omawiamy ich właściwości – inne niż sama pojemność – wskazując, jak wpływają na pracę podzespołu i do jakiego rodzaju obwodów go predestynują. W końcu pokazujemy które z dostępnych na rynku typów kondensatorów są najlepsze pod kątem poszczególnych właściwości i jak parametry te wpływają na wybory dokonywane przez projektantów.

Czasem zdarza się, że coś co wydaje się oczywistym wyborem, wcale nie jest najlepszym. Bywa, że z jakiegoś powodu lepiej zastąpić jeden rodzaj kondensatora innym. W artykule pokazujemy właśnie taki krótki przykład użycia kondensatorów polimerowych zamiast wielowarstwowych kondensatorów ceramicznych.

Czym jest kondensator?

Tak jak pokazano na ilustracji 1., kondensator składa się z dwóch przewodzących płytek, umieszczonych bardzo blisko siebie i odseparowanych dielektrykiem. Przyłożenie stałego napięcia do płytek spowoduje przepływ prądu i pojawienie się równych sobie wartością ale przeciwnych ładunków na obu okładkach: negatywnego na jednej i pozytywnego na drugiej. Odłączenie źródła zasilania spowoduje, że ładunek będzie się utrzymywał, pomijając zjawisko jego stopniowego upływu. Następnie, jeśli okładki kondensatora podłączy się do jakiegoś obciążenia, takiego jak np. lampa błyskowa, kondensator rozładuje się i odda całą zgromadzoną w sobie energię do lampy.

Symbole kondensatorów

Ilustracja 1. Symbole kondensatorów – źródło: Premier Farnell

Warto zwrócić uwagę, że budowa kondensatora sprawia, że blokuje on przepływ prądu stałego, ale przewodzi prąd przemienny. W ogólności, im wyższa częstotliwość sygnału AC, tym lepiej jest on przewodzony przez kondensator.

Ilość energii (a tak naprawdę – pojemności), jaką kondensator jest w stanie pomieścić, zależy od jego pojemności i jest mierzona w faradach. Ponieważ jest to niepraktycznie duża jednostka (za wyjątkiem superkondensatorów), rzeczywiste komponenty oznaczane są za pomocą następujących jednostek z układu SI, w zależności od potrzeb:

  • mF (milifarad, jedna tysięczna (10−3) farada),
  • μF (mikrofarad, jedna milionowa (10−6) farada),
  • nF (nanofarad, jedna miliardowa (10−9) farada),
  • pF (pikofarad, jedna bilionowa (10−12) farada).

Niezależnie od tego, pojemność C, wyrażona w faradach, jest obliczana za pomocą równania:

Gdzie q to ładunek w kulombach (+q na jednej okładce i -q na drugiej), a V to napięcie pomiędzy płytkami.

Prowadzi to do zależności pomiędzy napięciem a prądem, jak poniżej:

Gdzie i to prąd wyrażony w amperach.

Energia przechowywana w kondensatorze jest do obliczenia poprzez scałkowanie:

Władowania = 1/2 CV^2

Pierwsze z powyższych równań mówi nam, że zwiększenie pojemności pozwoli na zgromadzenie większego ładunku przy danym napięciu na kondensatorze. Pojemność można zwiększyć poprzez zwiększenie rozmiaru płytek, zbliżenie ich do siebie, lub poprzez poprawienie właściwości izolacyjnych dielektryka. Kondensatory każdego typu uzyskują swoje pojemności właśnie poprzez odpowiednie dobranie tych trzech parametrów. A skoro tę samą, pożądaną pojemność można uzyskać za pomocą różnego rodzaju kondensatorów, jak decydujemy który z nich jest najlepszy do danej aplikacji?

Odpowiedź wynika z tego, że o ile idealny kondensator cechowałby się jedynie pojemnością, rzeczywiste komponenty mają także inne parametry i charakterystyki, które wpływają na ich pracę oraz na to, czy nadają się do docelowej aplikacji. Zależą one od technologii budowy kondensatora i należy je wziąć pod uwagę podczas poszukiwania optymalnego rozwiązania.

Do kryteriów, jakie trzeba rozważyć należą: napięcie, rozmiar komponentu, odpowiedź częstotliwościowa, podatność na starzenie (wysychanie ciekłego elektrolitu), które powoduje utratę pojemności, maksymalne rekomendowane temperatury pracy, łatwopalność i zdolność do samoczynnego naprawiania się. Czasem koniecznie jest by podzespół miał ekstremalnie niską rezystancję pasożytniczą (znaną jako szeregowa rezystancja zastępcza), by zminimalizować straty mocy w układach pracujących z dużymi prądami.

Teraz przyjrzymy się bliżej poszczególnym parametrom kondensatorów i temu, które z tych cech przyjmują jakie wartości w poszczególnych typach kondensatorów.

Parametry kondensatorów

Publikacja firmy KEMET, zatytułowana „Wprowadzenie do technologii kondensatorów” zawiera wiele użytecznych informacji i stanowi podłoże poniższej dyskusji na temat cech kondensatorów.

Charakterystyka dielektryka i pojemność w przeliczeniu na jednostkę objętości

Parametry zastosowanego dielektryka wpływają na gęstość pojemności, tj. ilość pojemności jaką można uzyskać przy określonej objętości. Cecha ta ma bardzo duże znaczenie szczególnie podczas projektowania urządzeń przenośnych lub płytek o bardzo gęstym upakowaniu elementów, gdzie kluczowe jest by uzyskać jak największą pojemność, przy jak najmniejszej objętości.

Niektóre dielektryki, takie jak tantal, są znane właśnie z możliwości tworzenia pojemnego kondensatora przy małej objętości. Ponadto współczynnik ten można dodatkowo zwiększyć poprzez zwiększenie użytecznej powierzchni elektrody i minimalizację samej obudowy.

Praktyczne problemy z pojemnością

Użyteczna pojemność kondensatora będzie się różnić od nominalnej z kilku powodów. Zaliczają się do nich:

  • temperatura,
  • wilgotność,
  • napięcie przemienne lub stałe,
  • częstotliwość sygnału,
  • wiek kondensatora,
  • czynniki mechaniczne,
  • efekt piezoelektryczny.

Dobierając kondensator do aplikacji należy wziąć pod uwagę sposób, w jaki reaguje on na powyższe czynniki.

Kolejnym ważnym czynnikiem są tolerancje. Kondensatory noszą oznaczenia, które informują o precyzji ich wykonania. Najbardziej popularne oznaczenia to:

  • ± 20% = M
  • ± 10% = K
  • ± 5% = J
  • ± 2.5% = H
  • ± 2% = G
  • ± 1% = F

Prąd upływu a rezystancja izolacji

Materiały dielektryczne w kondensatorach nie są idealnymi izolatorami. Mogą przepuszczać mały, stały prąd upływu, z różnych powodów, zależnych od typu dielektryka. Będzie to skutkować stopniowym spadkiem napięcia na naładowanym kondensatorze, który rozładowuje się z czasem właśnie poprzez prąd upływu.

Ogólnie rzecz ujmując, rezystancja izolacji maleje wraz ze wzrostem pojemności. Prąd upływu rośnie wraz ze wzrostem temperatury.

Zależność pomiędzy prądem upływu (LC) a rezystancją zastosowanego dielektryka (IR) podana jest za pomocą prostego wzoru:

I(LC) = V/R(IR)

Ładowanie i rozładowywanie

Gdy do kondensatora, podłączonego szeregowo z rezystorem, zostanie przyłożone napięcie stałe, kondensator zacznie ładować się w tempie, zależnym od tego napięcia, aktualnego stopnia naładowania, rezystancji szeregowej i własnej pojemności. Na ich podstawie można obliczyć stałą czasową takiego obwodu RC. Dokładniej rzecz ujmując, stała ta to czas potrzebny do naładowania kondensatora o 63,2% różnicy pomiędzy wartością początkową, a końcową. Taka sama wartość odnosi się także do czasu rozładowywania kondensatora poprzez szeregowo podłączony rezystor.

Siła dielektryczna

Jeśli napięcie na kondensatorze wystarczająco wzrośnie, pole elektryczne w pewnym momencie przebije dielektryk i zacznie on przewodzić prąd. W przypadku niektórych dielektryków efekt ten jest stały i sprawia, że kondensator zostaje zniszczony.

Niektóre dielektryki mogą się jednak samoczynnie naprawiać. Przykładowo, kondensatory papierowe z bardzo cienkimi elektrodami mogą się samoczynnie naprawiać, ponieważ duże prądy przebicia nagrzewają warstwy elektrod, powodując że metal odparowuje i utlenia się w okolicy uszkodzenia, tym samym odizolowując zwarcie od reszty kondensatora. Proces ten może zachodzić nawet w aplikacjach bardzo dużej mocy, do kilku kilowatów.

Rozpraszanie energii

Gdy napięcie przemienne jest przyłożone do wyprowadzeń kondensatora, prąd przepływa przez jego dielektryk i elementy przewodzące. W praktyce, część z tego prądu jest rozpraszana na niewielkiej rezystancji wewnątrz kondensatora. Objawia się to wzrostem temperatury podzespołu. Na całkowitą rezystancję szeregową takiego układu sumują się dwa elementy:

  • rezystancja dielektryka,
  • rezystancja części przewodzących.

Induktancja

Elektrody i wyprowadzenia kondensatora to metalowe przewodniki, które cechują się pewną induktancją. Stawia ona opór prądowi przemiennemu, przepływającemu przez kondensator. Znana jest pod nazwą zastępczej induktancji szeregowej.

Obwód zastępczy kondensatora

Elementy przewodzące w kondensatorze mają pewną rezystancję wyrażoną w omach, która wraz z rezystancją dielektryka, skutkuje zastępczą rezystancją szeregową. Tzw. obwód zastępczy dla rzeczywistego kondensatora został przedstawiony na rysunku 2., gdzie rezystor (ESR) i cewka (ESL) połączone są ze sobą szeregowo, a następnie w szeregu z równolegle podłączonymi – czystą pojemnością i rezystorem, którego wartość odpowiada rezystancji dielektryka.

Obwód zastępczy dla kondensatora, uwzględniający pasożytnicze rezystancje i indukcyjności

Ilustracja 2: Obwód zastępczy dla kondensatora, uwzględniający pasożytnicze rezystancje i indukcyjności – źródło: KEMET

Różne rodzaje kondensatorów

Na ilustracji 3. podsumowano różne dostępne obecnie typu kondensatorów. Poniżej omawiamy te o niezmiennej pojemności.

Hierarchia typów kondensatorów

Ilustracja 3. Hierarchia typów kondensatorów – źródło Würth Elektronik

Strona internetowa Capacitorguide.com zawiera dogłębne wyjaśnienie różnych rodzajów kondensatorów i ich budowy; zebrane poniżej informacje (poza opisami modeli szklanych i przepustowych) bazują na tych materiałach.

Foliowe

Kondensatory foliowe są zbudowane z cienkich warstw plastikowych, używanych jako dielektryki; mogą one zostać pokryte metalizacją lub nie, w zależności od oczekiwanych parametrów kondensatora. Cechują się dużą stabilnością, niską induktancją i małym kosztem. Folia może być wykonana, w zależności od wersji, z poliestru, polipropylenu, PTFE i polistyrenu. Pojemność tych komponentów mieści się w zakresie od 1 nF do 30 µF.

Podczas podłączania tych kondensatorów nie trzeba się martwić o polaryzację, dzięki czemu nadają się do pracy z sygnałami przemiennymi i w aplikacjach mocy. Mogą mieć bardzo precyzyjnie określone parametry, które utrzymują dłużej niż inne rodzaje kondensatorów. Dobrze pracują w wieloletnich aplikacjach i można je długo przechowywać przed wlutowaniem. Ich proces starzenia jest wolniejszy niż w innych kondensatorach, a szczególnie względem układów elektrolitycznych. Mają niskie wartości ESR i ESL, a przez to i wydziela się na nich mało mocy podczas pracy. Mogą wytrzymywać wysokie napięcia w zakresie do kilowoltów i dostarczać bardzo wysokie impulsy prądowe.

Wersje do pracy z dużymi mocami wytrzymują moc bierną przekraczającą 200 woltoamperów. Stosuje się je w elektronice mocy, przesuwnikach fazowych, naświetlaczach promieniami X i laserach impulsowych. Warianty o mniejszej mocy są stosowane jako kondensatory odsprzęgające, filtry i w przetwornikach analogowo-cyfrowych. Do pozostałych aplikacji, na które warto zwrócić uwagę, należą kondensatory bezpieczeństwa, układy redukcji interferencji elektromagnetycznych, obwody stabilizujące lampy fluorescencyjne i kondensatory tłumiące.

Poliestrowe kondensatory foliowe

Ilustracja 4. Poliestrowe kondensatory foliowe – źródło: Wikimedia Commons

Ceramiczne

Kondensatory ceramiczne zawierają materiał ceramiczny jako dielektryk. Najczęściej spotykane są obecnie wielowarstwowe (MLCC) chipy i ceramiczne dyski. Modele MLCC są przystosowane do montażu powierzchniowego (SMT) i powszechnie stosowane ze względu na swoje rozmiary. Ich pojemność mieści się zazwyczaj w granicach od 1 nF do 1 µF, ale można znaleźć i modele o pojemności do 100 µF. Nie wymagają pilnowania polaryzacji, więc można je używać w obwodach AC. Świetnie sprawdzają się w pracy z sygnałami o dużej częstotliwości, gdyż mają niskie rezystancje i indukcyjności pasożytnicze.

Istnieją dwie klasy kondensatorów ceramicznych, jakie obecnie można znaleźć w sprzedaży: klasę 1 i klasę 2. Kondensatory klasy 1 są używane wtedy, gdy potrzebna jest wysoka stabilność i niskie straty. Są precyzyjnie wykonane, a ich pojemność jest stabilna, w szerokim zakresie przyłożonego napięcia, temperatury i częstotliwości sygnału.

Kondensatory klasy 2 mają wysoką pojemość w przeliczeniu na jednostkę objętości i stosuje się je w mniej wrażliwych aplikacjach. Ich stabilność temperaturowa wynosi zazwyczaj ±15% w dopuszczalnym zakresie temperatur pracy, a tolerancje wartości nominalnej pojemności wynoszą około 20%.

Kondensatory MLCC pozwalają na gęsty montaż komponentów na płytce drukowanej, ale dostępne są też kondensatory ceramiczne o faktycznie dużych rozmiarach, które mogą wytrzymywać od 2 kV do 100 kV i pracować z mocą 200 VA.

Kondensator ceramiczny

Ilustracja 5: Kondensator ceramiczny – źródło: Wikipedia

Elektrolityczne

Kondensatory elektrolityczne wykorzystują elektrolit, dzięki czemu są w stanie dostarczyć większą pojemność elektryczną, niż inne rodzaje kondensatorów. Niemal wszystkie z nich wymagają odpowiedniej polaryzacji, więc mogą być stosowane tylko w obwodach DC. Występują w wersjach z mokrym elektrolitem lub ze stałym, polimerowym. Często są wykonywane z tantalu lub aluminium. Wersje aluminiowe najczęściej mają pojemności w zakresie od 1 µF do 47 mF i mogą pracować przy napięciu do kilkuset woltów. Jednakże superkondensatory, czasem nazywane dwuwarstwowymi, są także dostępne w wersjach o pojemności sięgającej setek lub tysięcy faradów.

Wady tych kondensatorów to m.in. duże prądy upływu, szerokie tolerancje pojemności znamionowej, które często wynoszą 20%, duża zastępcza rezystancja szeregowa oraz niedługi czas życia. Ponadto sama pojemność także ulega zmianie z czasem. Mogą się przegrzewać a nawet eksplodować, jeśli spolaryzuje się je odwrotnie.

Kondensatory elektrolityczne są często używane w aplikacjach, gdzie nie jest wymagana ściśle określona wartość pojemności i praca z sygnałami AC, ale gdzie potrzebna jest duża pojemność. Przykładowo, służą w sekcjach filtrujących w zasilaczach, usuwając tętnienia oraz w filtrach dolnoprzepustowych dla sygnałów DC z małymi składowymi AC, gdzie wygładzają sygnał wyjściowy.

Kondensatory elektrolityczne

Ilustracja 6: Kondensatory elektrolityczne – źródło: Flickr

Superkondensatory

Superkondensatory to odmiana kondensatorów elektrolitycznych. Mogą przechowywać bardzo duże ilości energii elektrycznej dzięki zastosowaniu dwóch technik: dwuwarstwowej pojemności oraz pseudopojemności. Pierwsza wynika z elektrostatyki, a druga bazuje na zjawisku elektrochemicznym. Oznacza to, że w praktyce superkondensatory łączą cechy normalnych kondensatorów z cechami zwykłych akumulatorów.

W rzeczywistości, w wielu aplikacjach bywają stosowane jako alternatywa dla akumulatorów. Pracują w systemach odzyskiwania energii kinetycznej (KERS) w motoryzacji, w lampach błyskowych i w statycznej pamięci RAM. W przyszłości możliwe że będą stosowane w smartfonach, laptopach i elektrycznych samochodach. Ich najważniejszą zaletą jest bardzo szybkie tempo ładowania, co oznacza że gdyby zastąpić nimi akumulatory samochodu elektrycznego, można by było go naładować w kilka minut.

Dzięki tej technologii można uzyskać pojemność na poziomie do 12000 F. Komponenty te cechują się bardzo krótkimi czasami ładowania i rozładowywania, w porównaniu do zwykłych kondensatorów, a jest to możliwe dzięki ich bardzo małej rezystancji wewnętrznej. Dla odróżnienia, akumulatory potrzebują nawet do kilku czy kilkunastu godzin, by je w pełni naładować. Superkondensatory są w stanie też pracować z mocami 5-10 razy większymi niż akumulatory. Przykładowo, ich typowa gęstość mocy to 10 kW/kg, podczas gdy w akumulatorach litowo-jonowych jest to od 1 kW/kg do 3 kW/kg. Superkondensatory nie nagrzewają się tak bardzo jak akumulatory, gdy pracują w trudnych warunkach i praktycznie nie zużywają się z kolejnymi cyklami ładowania – co ma szczególne znaczenie w porównaniu do typowych akumulatorów, które rzadko kiedy wytrzymują więcej niż 500 cykli.

Wadami superkondensatorów jest mała gęstość energii (mierzona w watogodzinach na kilogram), liniowy spadek napięcia wraz z rozładowywaniem (superkondensator o napięciu 2,7 V przy pełnym naładowaniu będzie miał napięcie 1,35 V po połowicznym rozładowaniu) oraz duże koszty. To właśnie te powody sprawiły, że superkondensatory nie zastąpiły dotąd akumulatorów w większości zastosowań.

Technologie superkondensatorów

Ilustracja 7. Technologie superkondensatorów – źródło: Wikimedia Commons

Mikowe

Kondensatory mikowe są obecnie budowane poprzez układanie warstw miki pokrytej metalem (srebrem) po obu stronach. Ich pojemności są małe i zazwyczaj wynoszą od kilku pikofaradów do kilku nanofaradów, ale największe podzespoły tego typu mogą osiągnąć nawet 1 mikrofarad pojemności. Ich napięcie znamionowe wynosi zazwyczaj od 100 do 1000 woltów, choć można znaleźć także modele wytrzymujące do 10 kV, przeznaczone do pracy w nadajnikach radiowych. Są także stosowane w innych aplikacjach, wymagających dużego napięcia, właśnie ze względu na wysokie napięcie przebicia.

Cechują się małymi stratami, dzięki czemu można je używać z wysokimi częstotliwościami. Są niezawodne, a ich pojemność nie zmienia się w czasie. Jest także stabilna w szerokim zakresie napięć, temperatury i częstotliwości. Są wykonywane z dużą precyzją, a ich tolerancje wynoszą często nawet ±1%. Jednakże mają duże rozmiary i są drogie.

Srebrne kondensatory mikowe

Ilustracja 7: Srebrne kondensatory mikowe – źródło: Wikimedia Commons

Szklane

Kondensatory szklane są stosowane w obwodach radiowych, gdzie konieczna jest bardzo duża wydajność. Mają niski współczynnik temperaturowy i brak histerezy oraz się nie starzeją, nie generują szumów z uwagi na zjawisko piezoelektryczne i cechują się bardzo niskimi stratami. Mogą pracować z dużymi prądami i w wysokich temperaturach, często do 200 °C.

Przepustowe

Firma AVX oferuje rodzinę kondensatorów przepustowych, dostępnych w standardowych rozmiarach 0805 i 1206. Stanowią one idealny wybór do tłumienia EMI, szerokopasmowego filtrowania wejść i wyjść oraz kondycjonowania linii zasilających. Ich unikalna konstrukcja sprawia, że pojawia się w nich równoległa induktancja i dzięki temu świetnie nadają się do odsprzęgania we wszelkich środowiskach z szybkimi impulsami. Zapewniają znaczącą redukcję szumów w obwodach cyfrowych, pracujących z częstotliwością do 5 GHz. AVX oferuje kondensatory przepustowe wysokiej klasy, nadające się do zastosowań w motoryzacji, zgodne z wymaganiami AEC-Q200. Są one dostępne z dielektrykami NP0 i X7R oraz wyprowadzeniami pokrytymi m.in. niklem i cyną.

Zamienne stosowanie kondensatorów

O ile poszczególne rodzaje kondensatorów są zoptymalizowane pod kątem różnych aplikacji, można je ze sobą czasem zamieniać. Przykładowo, firma Panasonic opublikowała szczegółowy podręcznik, w którym pokazuje jak kondensatory polimerowe mogą zastąpić kondensatory MLCC w różnych aplikacjach. Poniżej prezentujemy informacje pochodzące z tamtej publikacji.

Postęp w dziedzinie układów scalonych zwiększył w ostatnim czasie wymagania, jakie stawiane są komponentom z nimi współpracującym, a w tym i kondensatorom. Widać to szczególnie w przypadku projektów przetwornic DC-DC. Cechują się one coraz większą sprawnością, pozwalają na pracę z większymi obciążeniami, przy coraz silniejszej miniaturyzacji oraz większych częstotliwościach przełączania. Trend ten sprawił, że konieczne było stworzenie kondensatorów, które będą mogły pracować z wyższymi prądami, mając przy tym mniejsze rozmiary. Jednocześnie rośnie zapotrzebowanie na tworzenie elementów, które będą nie tylko wysoce wydajne i które będą w stanie przy małej objętości zapewnić dużą ilość mocy, ale też będą mogły bezpiecznie i niezawodnie pracować przez długi czas.

Kondensatory do obwodów wyjściowych są niezbędne dla przetwornic DC-DC, gdyż wraz z główną cewką stanowią zapas energii elektrycznej dla sekcji wyjściowej oraz wygładzają napięcie na wyjściu. Natomiast kondensatory wejściowe muszą dobrze radzić sobie z dużymi mocami i tętnieniami. Powinny utrzymywać jak najbardziej stabilne napięcie na wejściu inwertera.

Różne rodzaje kondensatorów mogą być zastosowane w takich przetwornicach DC-DC, zarówno w sekcjach wejściowych, jak i wyjściowych. Na rysunku 8. pokazano niektóre z opcji, a w tym kondensatory elektrolityczne, OSCON, SP-Caps, POS-Caps, foliowe i MLCC oraz ocenę ich parametrów w odniesieniu do charakterystyki. O ile najlepszy wybór będzie zależał od szczegółów danej aplikacji, możemy porównać ich cechy pomiędzy sobą.

Rodzaje kondensatorów i ich charakterystyki

Ilustracja 8. Rodzaje kondensatorów i ich charakterystyki – źródło: Panasonic

Kondensatory elektrolityczne mają największą zastępczą rezystancję szeregową, ale ich pojemność i prąd upływu pogarszają się w czasie, szczególnie przy wyższych temperaturach i częstotliwościach. Kondensatory ceramiczne mają bardzo niskie rezystancje i indukcyjności zastępcze i dzięki temu świetnie sprawdzają się z sygnałami impulsowymi, ale mają ograniczoną pojemność. Mogą też pracować z prądami o dużych tętnieniach, ale łatwo się starzeją i słabo sobie radzą z silnymi polami elektrycznymi.

Polimerowe kondensatory elektrolityczne są popularne w obwodach zasilania układów scalonych, w funkcjach buforów, boczników i jako elementy odsprzęgające, szczególnie tam, gdzie całe urządzenie musi być płaskie lub po prostu małe. Dlatego mogą konkurować z kondensatorami MLCC, ale mają większe pojemności i w odróżnieniu od kondensatorów ceramicznych klasy 2, nie wykazują efektu mikrofonowego.

W przypadku filtrów wejściowych i wyjściowych przetwornic DC-DC, najczęściej stosowane są kondensatory MLCC, ze względu na ich niskie koszty i niskie rezystancje i indukcyjności zastępcze. Jednakże mają wady, takie jak:

  • mała pojemność w jednostce objętości, szczególnie w przypadku dielektryków klasy 1 (NO/COG),
  • duże wymiary obudowy, ulegające pęknięciom podczas wyginania PCB,
  • niestabilność polaryzacji stałoprądowej,
  • efekt piezoelektryczny (tzw. śpiewanie).

To właśnie w tym miejscu kondensatory polimerowe znajdują zastosowanie. Panasonic produkuje aluminiowe kondensatory polimerowe: SP-Caps i OS-CON, tantalowe kondensatory polimerowe (POS-CAP) i polimerowe, hybrydowe, aluminiowe kondensatory elektrolityczne. Są one wykorzystywane w coraz szerszym zakresie aplikacji. Mają dużą pojemność i wspaniałą charakterystykę, znacznie lepszą niż w przypadku MLCC, a jednocześnie cechują się bardzo niskimi wartościami ESR i ESL.

Dodatkowo, kondensatory polimerowe są bardzo niezawodne i świetnie pracują w niskich temperaturach dzięki wykorzystaniu stałych polimerów jako elektrolitu.

Na ilustracji 9. pokazano kilka przykładów tego, jak różne kondensatory polimerowe mogą zastąpić i przewyższyć parametrami kondensatory MLCC.

Przykład obwodu

Ilustracja 9: Przykład obwodu, porównującego kondensatory MLCC i polimerowe – źródło: Panasonic

Kupowanie kondensatorów

Różne rodzaje kondensatorów, w szerokim wyborze parametrów, można nabyć na stronach internetowych sklepu Farnell.

Wnioski

W artykule wyjaśniono czym są kondensatory i jak pojemność wpływa na obwód elektryczny. Pokazano też, że w rzeczywistości nie istnieją idealne kondensatory. Dlatego przedstawiono różnorodne fizyczne i elektryczne charakterystyki, które składają się na prawdziwe komponenty. Omówiono szereg różnych typów kondensatorów o różnych charakterystykach, pasujących do różnorodnych aplikacji.

W artykule pokazano również, jak jeden rodzaj kondensatora można czasem zastąpić innym, np. stosując model polimerowy zamiast MLCC.

Źródła

http://www.kemet.com/Lists/TechnicalArticles/Attachments/6/What%20is%20a%20Capacitor.pdf

http://www.capacitorguide.com

https://en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor

https://radio-electronics.com/info/data/capacitor/glass-dielectric-capacitors.php

http://www.avx.com/products/ceramic-capacitors/feedthru-smd/automotive-feedthru

https://eu.industrial.panasonic.com/sites/default/pidseu/files/pan_18072_whitepaper_mlccvspolymer_web.pdf

http://uk.farnell.com/c/passive-components/capacitors?rd=capacitors

Rodzaje i cechy kondensatorów- Data publikacji: 15 października 2018 r. przez Farnell