ELEMENTY POJEMNOŚCIOWE

1. Ogólna charakterystyka kondensatorów i ich rodzaje.

Kondensatory są to elementy elektryczne, których podstawowym
parametrem użytkowym jest pojemność C wyrażana w faradach (F).
Kondensator stanowi układ co najmniej dwóch elektrod wykonanych z
materiału przewodzącego (metalu) odizolowanych od siebie dielektrykiem.
Pojemność kondensatora określają przenikalność elektryczna

ε

oraz

rozmiary (grubość i powierzchnia) materiału dielektrycznego
wypełniającego przestrzeń między elektrodami przewodzącymi.
Kondensator służy do gromadzenia ładunku elektrycznego (Q = CV), przy
czym w wyniku doprowadzenia napięcia na jego elektrodach pojawiają się
ładunki równe co do wartości bezwzględnej, lecz o przeciwnych znakach.
Zmiany napięcia doprowadzonego do kondensatora wywołują zmiany
ładunku kondensatora, w wyniku czego przez kondensator płynie prąd o
natężeniu

Doprowadzenie napięcia o kształcie sinusoidalnym powoduje przepływ
przez kondensator prądu o takim samym kształcie, lecz przesuniętego w
fazie względem napięcia o pewien kąt

ϕ

≤

π

/ 2. W kondensatorze

idealnym, charakteryzującym się tylko pojemnością (rys. 1a), kąt fazowy
jest równy

π

/2, czyli 90°. W rzeczywistym kondensatorze prąd wyprzedza

w fazie napięcie o kąt mniejszy niż 90°. Jest to spowodowane stratami,
które zmniejszają przesunięcie fazowe o kąt

δ

, nazywany kątem strat

elektrycznych Wielkość tego kąta zależy od właściwości dielektryka, a
także konstrukcji i technologii wytwarzania kondensatora. Straty w modelu
kondensatora rzeczywistego (rys. 1b) reprezentują dodatkowe elementy:
R

u

- rezystancja określona głównie upływnością dielektryka, R

d

i L

d

-

odpowiednio rezystancja i indukcyjność doprowadzeń, w tym także
elektrod. W analizie układów elektronicznych zwykle korzysta się z
prostszych modeli kondensatora, tj. modelu równoległego (rys. 1c) i
modelu szeregowego (rys. 1d).

Strona 1 z 12

Kondensatory

2009-05-10

http://www.pwsz-ns.edu.pl/~aleksmar/strona/elektronika/kondensator/elem%20pojem...

Rys. 1. Schematy zastępcze: kondensatora idealnego (a) i kondensatora rzeczywistego
– schemat pełny (b), uproszczony równoległy (c) i uproszczony szeregowy (d)

Kondensatory, podobnie jak rezystory, dzieli się na: stale i zmienne,
typu l i typu 2, liniowe i nieliniowe. Z reguły ze względu na pewne
specyficzne cechy, m.in. dużą gęstość ładunku uzyskiwaną dzięki
specjalnej budowie, wyodrębnia się grupę kondensatorów
elektrolitycznych.

2. Parametry kondensatorów.

Podstawowymi parametrami kondensatora są pojemność znamionowa

wraz z tolerancją oraz napięcie znamionowe i stratność dielektryczna
(tangens kąta strat

δ

). Do ważniejszych parametrów kondensatora zalicza

się napięcie probiercze, dopuszczalne napięcie przemienne, rezystancję
izolacji, temperaturowy współczynnik pojemności.

Pojemność znamionowa C

n

kondensatora jest to wartość pojemności

założona przy wytwarzaniu kondensatora, która z uwzględnieniem
tolerancji jest podawana jako jego cecha. W określonych warunkach
różnica między pojemnością rzeczywistą a znamionową kondensatora, tj.
odchyłka pojemności kondensatora, nie może być większa niż wartość
wynikająca z tolerancji. Wartości pojemności znamionowej tworzą ciągi
liczb, które (podobnie jak dla rezystorów) oznacza się symbolami E3, E6,
E12, E24 itd.

Napięcie znamionowe U

n

kondensatora jest to wartość napięcia

stałego (dla niektórych kondensatorów wartość napięcia przemiennego o
określonej częstotliwości, zwykle 50 Hz), które może być długotrwale
doprowadzone do kondensatora nie powodując jego uszkodzenia ani
jakiejkolwiek trwałej zmiany jego parametrów. Wartości napięcia

Strona 2 z 12

Kondensatory

2009-05-10

http://www.pwsz-ns.edu.pl/~aleksmar/strona/elektronika/kondensator/elem%20pojem...

znamionowego są znormalizowane, przykładowo biorąc, są to

wartości 25 V, 63 V, 100 V, 160 V, 250 V itd. Przez określony czas
(zwykle l minutę) kondensator powinien także bez żadnej szkody
wytrzymać napięcie o większej wartości, nazywane napięciem probierczym
U

p

(w zależności od typu kondensatora U

p

= 1,4

÷

2,5 U

n

). Wartość obu

tych napięć dla danego typu kondensatora zależy również od warunków
pracy kondensatora, tj. rodzaju doprowadzonego napięcia (stałe,
przemienne, impulsowe) oraz temperatury otoczenia, przy czym zmniejsza
się ona ze wzrostem zarówno częstotliwości, jak i temperatury. Jeżeli do
kondensatora jest doprowadzone napięcie zmienne, to w pierwszym
przybliżeniu można przyjąć warunek, aby suma składowej stałej i
składowej przemiennej nie przekraczała wartości napięcia znamionowego
określonego dla przebiegu prądu stałego (zalecenia szczegółowe dla
danego kondensatora są podawane w warunkach technicznych).

Stratność kondensatora, tj. jednostkowe straty energii wynikające z

pracy kondensatora przy napięciu przemiennym, charakteryzuje tangens
kata strat

δ

(czyli tg

δ

). Straty kondensatora są zazwyczaj większe niż

samego dielektryka ze względu na występowanie strat w elektrodach i
doprowadzeniach. Wartość strat zależy od częstotliwości i temperatury,
przy czym przebieg tej zależności jest złożoną funkcją polaryzacji
i konduktancji (przewodności) dielektryka kondensatora. W katalogach
wartość tg

δ

podaje się dla ściśle określonej częstotliwości pomiarowej,

zwykle l kHz lub l MHz (dla kondensatorów elektrolitycznych - 100 Hz).

Kondensator dla prądu stałego stanowi element charakteryzujący się

pewną rezystancją R

i

, nazywaną rezystancją izolacji, której wartość zależy

przede wszystkim od rodzaju dielektryka, a często także od konstrukcji
kondensatora. Dla kondensatorów stałych o niezbyt dużej pojemności (C

n

< 0,1

µ

F), znaczący wpływ na rezystancję izolacji ma materiał obudowy

(sposób izolacji). W kondensatorach o większej pojemności (C

n

> 0,1

µ

F),

ze względu na coraz silniej uwidaczniający się wpływ rozmiarów
dielektryka, bardziej reprezentatywnym parametrem staje się iloczyn
rezystancji izolacji i pojemności znamionowej, tj. R

i

⋅

C

n

, określający tzw.

stałą

czasową

τ

kondensatora.

W

przypadku

kondensatorów

elektrolitycznych zwykle zamiast rezystancji izolacji podaje się prąd
upływu I

u

.

Strona 3 z 12

Kondensatory

2009-05-10

http://www.pwsz-ns.edu.pl/~aleksmar/strona/elektronika/kondensator/elem%20pojem...

Właściwości kondensatorów zależą również od temperatury, dlatego

istotne znaczenie ma określenie przedziału dopuszczalnych zmian
temperatury, Czyli tzw. znamionowego zakresu temperatury pracy, w
którym kondensator może pracować w sposób ciągły. Na szczególną
uwagę zasługuje temperaturowy współczynnik pojemności TWP,
wyrażający względną zmianę pojemności wywołaną jednostkowym
przyrostem temperatury, równy

∆

C/(C

⋅

∆

F), określany zwykle w

jednostkach 10

-6

/deg. Współczynnik ten może mieć wartość dodatnią,

ujemną lub nawet równą zeru w zależności od typu kondensatora i
rozpatrywanego zakresu temperatur.

3. Budowa i właściwości kondensatorów stałych.

Na rysunku 2 przedstawiono powszechnie stosowaną klasyfikację
kondensatorów stałych dokonaną ze względu na rodzaj dielektryku. Jest
ona bardzo dogodna, gdyż od właściwości dielektryku zależą tak istotne
parametry kondensatora jak stratność, stabilność, temperatura pracy,
rozmiary. Dalszej bardziej szczegółowej klasyfikacji kondensatorów
stałych dokonuje się zwykle ze względu na przeznaczenie (wyróżnia się
przy tym np. kondensatory prądu zmiennego, impulsowe, wielkiej
częstotliwości, przeciwzakłóceniowe, wysokonapięciowe) oraz wykonanie
(np. zwijkowe, płytkowe, rurkowe, monolityczne, hermetyczne) itp.
Przykłady konstrukcji kondensatorów stałych podano na rys. 3.

Rys. 2. Klasyfikacja kondensatorów stałych ze względu na cechy materiałowo-
konstrukcyjne.

Strona 4 z 12

Kondensatory

2009-05-10

http://www.pwsz-ns.edu.pl/~aleksmar/strona/elektronika/kondensator/elem%20pojem...

Rys. 3. Przykłady konstrukcji kondensatorów stałych: a) zwijkowego, b)
wielowarstwowego, c) płytkowego, d) rurkowego, e) SMD do montażu
powierzchniowego

Kondensatory tworzywowe są to kondensatory o dielektryku z
tworzywa sztucznego, najczęściej polistyrenu, poliestru lub polipropylenu,
rzadziej poliwęglanu lub teflonu. Elektrody kondensatora stanowi zwykle
cienka folia aluminiowa (kondensatory foliowe) bądź cienka warstwa
aluminium naniesiona próżniowo jedno- lub dwustronnie na folię
dielektryczną (kondensatory metalizowane). Całość (dielektryk wraz z
elektrodami) jest zwijana (kondensatory zwijkowe) lub układana w warstwy
(kondensatory wielowarstwowe), a następnie zamykana w obudowie z
tworzywa sztucznego w postaci taśmy klejącej lub kubka oraz uszczelniana
ż

ywicą. Kondensatory tworzywowe są obecnie wytwarzane w

największych ilościach oraz w bardzo dużym asortymencie typów.

Kondensatory polistyrenowe wyróżniają się dużą stabilnością, dużą
rezystancją izolacji, małym tangensem kąta strat, małym (a przy tym
stałym) ujemnym temperaturowym współczynnikiem pojemności oraz
możliwością uzyskania wąskich tolerancji pojemności. W pewnym stopniu
wadą tych kondensatorów jest dość niska górna dopuszczalna temperatura

Strona 5 z 12

Kondensatory

2009-05-10

http://www.pwsz-ns.edu.pl/~aleksmar/strona/elektronika/kondensator/elem%20pojem...

pracy (+70 °C). Kondensatory polistyrenowe są przeznaczone do pracy w
urządzeniach profesjonalnych i powszechnego użytku.

Kondensatory poliestrowe i polipropylenowe, w porównaniu z
kondensatorami polistyrenowymi, są mniej stabilne i mają większą
stratność, ale szerszy zakres temperatury pracy (-55 ¸ +85 °C) oraz
zdolność do samoregeneracji, gdy są metalizowane. Kondensatory
poliestrowe są przeznaczone do pracy przede wszystkim w obwodach
prądu stałego (mogą pracować w obwodach prądu przemiennego, lecz przy
napięciu znacznie niższym od napięcia znamionowego i malejącym ze
wzrostem częstotliwości). Kondensatory polipropylenowe stosuje się w
układach impulsowych (np. półprzewodnikowych układach odchylania
odbiorników telewizyjnych) oraz układach prądu przemiennego (np.
układach lamp wyładowczych i jednofazowych silnikach elektrycznych
malej mocy). Kondensatory prądu przemiennego bardzo często wykonuje
się z dielektrykiem uwarstwionym (podwójnym) złożonym z folii
polipropylenowej i bibułki kondensatorowej (kondensatory
polipropylenowo-papierowe).

Właściwości kondensatorów ceramicznych w istotny sposób zależą

od rodzaju dielektryka. Zazwyczaj wyróżnia się dwie podstawowe grupy
tych kondensatorów, różniące się zasadniczo właściwościami, a w wyniku
tego i przeznaczeniem: - kondensatory typu 1, charakteryzujące się małą
stratnością oraz liniową zależnością pojemności w funkcji temperatury
(przy normalizowanym temperaturowym współczynniku pojemności),
zwykle przeznaczone do pracy w obwodach rezonansowych jako
kondensatory kompensacyjne; - kondensatory typu 2 (ferroelektryczne),
charakteryzujące się dużą stratnością oraz silnie nieliniową zależnością
pojemności od temperatury i napięcia, najczęściej stosowane jako
kondensatory sprzęgające, blokujące itp.

Niekiedy wyróżnia się jeszcze jedną grupę kondensatorów

ceramicznych, tj. kondensatory typu 3, charakteryzujące się dużą
pojemnością jednostkową, przy jednak znacznie gorszych pozostałych
parametrach. Kondensatory ceramiczne są wykonywane jako płytkowe,
rurkowe (w tym przepustowe), foliowe i monolityczne. Szczególnie
korzystne cechy (dużą pojemność jednostkową, dużą niezawodność) mają
kondensatory monolityczne. Są one wykonywane przez spieczenie
sprasowanego pakietu wielu warstw bardzo cienkiej folii ceramicznej z
naniesionymi na nich elektrodami metalowymi.

Kondensatory mikowe mimo wielu znakomitych właściwości, m.in.

Strona 6 z 12

Kondensatory

2009-05-10

http://www.pwsz-ns.edu.pl/~aleksmar/strona/elektronika/kondensator/elem%20pojem...

dużej stabilności, ściśle określonego temperaturowego współczynnika

pojemności, są wycofywane z produkcji ze względów materiałowo-
technologicznych. Coraz rzadziej są również stosowane kondensatory
papierowe, wykorzystywane zwykle jeszcze jako elementy
przeciwzakłóceniowe.

4. Kondensatory elektrolityczne.

Kondensatorem elektrolitycznym nazywa się kondensator, którego
jedna z elektrod, tzw. anoda, jest wykonana z metalu (aluminium lub tantal)
i pokryta cienką warstwą tlenku, drugą zaś elektrodę, tzw. katodę, stanowi
elektrolit i stykające się z nim wyprowadzenie metalowe (rys. 4a). Cechą
właściwą kondensatora o takiej konstrukcji jest ściśle określona
biegunowość napięcia doprowadzonego do jego końcówek - w związku z
tym nazywa się go kondensatorem elektrolitycznym biegunowym. Podanie
napięcia o biegunowości odwrotnej niż wymagana wywołuje procesy
elektrochemiczne, prowadzące do intensywnego wydzielania gazów oraz
ciepła i w wyniku, na ogół w krótkim czasie, zniszczenie kondensatora.
Kondensatory elektrolityczne biegunowe są przeznaczone do pracy w
obwodach napięcia stałego lub pulsującego (wolno-zmiennego), przy czym
amplituda napięcia przemiennego nie może przewyższać napięcia stałego,
suma zaś tych napięć - napięcia znamionowego kondensatora.
Kondensatory elektrolityczne niebiegunowe wytwarza się, składając je z
dwóch elektrod „anodowych" (rys. 4b). Taki kondensator może pracować
zarówno w obwodzie prądu stałego (przy dowolnej biegunowości napięcia
stałego), jak i w obwodzie prądu przemiennego. Jednak przy pracy ciągłej
w obwodzie prądu przemiennego amplituda napięcia przemiennego musi
być znacznie (wielokrotnie) mniejsza niż napięcie znamionowe (stałe)
kondensatora. Większe wartości napięć przemiennych (lecz nie
przekraczające napięcia znamionowego) mogą być doprowadzane do
kondensatora jedynie w sposób okresowo przerywany.

Strona 7 z 12

Kondensatory

2009-05-10

http://www.pwsz-ns.edu.pl/~aleksmar/strona/elektronika/kondensator/elem%20pojem...

Rys. 4. Schemat budowy kondensatora elektrolitycznego i symbole: a) biegunowego;
b) niebiegunowego; l - anoda; 2 - tlenek; 3 -
elektrolit; 4 - katoda

Na

rysunku

5

przedstawiono

schemat

zastępczy

(model)

kondensatora elektrolitycznego. W modelu tym C jest pojemnością
kondensatora, R

i

- rezystancją warstwy izolatora (tlenku), R

de

- rezystancją

szeregową wyrażającą straty w elektrolicie i doprowadzeniach, L -
indukcyjnością doprowadzeń i elektrod oraz D - diodą reprezentującą
biegunowe właściwości kondensatora.

Rys. 5. Schemat zastępczy kondensatora elektrolitycznego.

Kondensatory elektrolityczne wyróżniają się (spośród wszystkich

kondensatorów)

największą

pojemnością

właściwą

(

µ

F/cm

3

).

Podstawowymi

parametrami

tych

kondensatorów

są:

pojemność

znamionowa C

n

, tolerancja pojemności w %, tangens kąta strat tg

δ

i

napięcie znamionowe U

n

. Nie mniej ważnymi parametrami są prąd upływu

I

u

i maksymalny dopuszczalny prąd tętnień I

t

.

Kondensatory elektrolityczne dzieli się zwyczajowo na dwie grupy:

aluminiowe i tantalowe. Obie grupy różnią się w sposób istotny konstrukcją
oraz właściwościami i w związku z tym, również przeznaczeniem
(zastosowaniem).

5. Charakterystyka kondensatorów zmiennych.

Kondensatorem zmiennym nazywa się kondensator, którego
pojemność może być zmieniana w sposób ciągły w określonym zakresie.
Na rysunku 6 przedstawiono schematycznie budowę kondensatora
zmiennego (nastawnego), zwanego ze względu na swoją budowę
kondensatorem obrotowym (pojemność tego kondensatora zmienia się

Strona 8 z 12

Kondensatory

2009-05-10

http://www.pwsz-ns.edu.pl/~aleksmar/strona/elektronika/kondensator/elem%20pojem...

bowiem w wyniku zmiany wzajemnego położenia elektrod w ruchu
obrotowym). Ponieważ kondensatory nastawne są najpowszechniejszym
rodzajem kondensatorów zmiennych, to zazwyczaj w praktyce obie nazwy
są traktowane zamiennie.

Rys. 6. Kondensator nastawny obrotowy: a) schematyczna konstrukcja; b)
charakterystyka pojemności w funkcji kąta obrotu rotora.

Najważniejszymi parametrami kondensatorów zmiennych są: zakres

pojemności znamionowy (

∆

C

n

= C

max

– C

min

) i napięcie znamionowe U

n

oraz tangens kąta strat (tg

δ

) i temperaturowy współczynnik pojemności

(TWP).

Właściwości kondensatora zmiennego są ściśle uzależnione od jego
konstrukcji i rodzaju materiału zastosowanego do budowy elementów.
Dielektrykiem jest z reguły powietrze, choć może być nim ceramika,
tworzywo sztuczne, inny niż powietrze rodzaj gazu, a nawet próżnia.
Elektrody kondensatora nieruchoma (stator) i ruchoma (rotor) są zwykle
wykonywane z blachy aluminiowej, a wykrój płytek rotora decyduje o
kształcie charakterystyki pojemnościowej C(

α

) kondensatora (rys. 7).

Kondensatory o liniowej zmianie pojemności zazwyczaj stosuje się w
układach pomiarowych np. mostkowych. Pozostałe rodzaje kondensatorów
zmiennych znajdują zastosowanie głównie , w radiotechnice (np. w
strojonych obwodach rezonansowych), umożliwiając, dzięki określonego
kształtu elektrodom, otrzymanie liniowych zależności długości fali lub
częstotliwości obwodu drgającego od kąta obrotu.

Strona 9 z 12

Kondensatory

2009-05-10

http://www.pwsz-ns.edu.pl/~aleksmar/strona/elektronika/kondensator/elem%20pojem...

Rys. 7. Typowe wykroje płytek (rotora) podstawowych rodzajów kondensatorów
nastawnych (obrotowych) i odpowiadające im charakterystyki pojemnościowe.

Kondensatory zmienne są bardzo często wykonywane jako

wielosekcyjne, ich pojemności są zmieniane równocześnie przez wspólny
mechanizm nastawczy. Kondensator, który ma dwa statory (jeden
naprzeciw drugiego) i jeden rotor, charakteryzujący się tym, że jedna
pojemność przy obrocie rotora maleje, druga zaś - rośnie (przy czym
pojemność wypadkowa nie ulega zmianie) nazywa się kondensatorem
różnicowym.

Szczególne cechy (konstrukcję i właściwości) mają trymery do

naręcznych

zegarków

elektronicznych.

Podstawową

ich

cechą

konstrukcyjną są jak najmniejsze rozmiary - warunek konieczny, aby
kondensator zmieścił się w zegarku. Maksymalną miniaturyzację osiąga się
stosując specjalne rozwiązania konstrukcyjne (np. rotor monolityczny, dużą
dokładność wykonania i pasowa nią elementów) oraz dielektryki o dużej
przenikalności elektrycznej (np.

ε

r

≈

1000). Najważniejszą właściwością

elektryczną takiego kondensatora jest jak największa stabilność wartości
pojemności - jakakolwiek bowiem zmiana tej pojemności (np. w funkcji
temperatury lub innych narażeń zwłaszcza mechanicznych) zmniejsza
dokładność pracy (wskazań) zegarka.

Strona 10 z 12

Kondensatory

2009-05-10

http://www.pwsz-ns.edu.pl/~aleksmar/strona/elektronika/kondensator/elem%20pojem...

6. Oznaczenia kondensatorów.

Wartość pojemności i dopuszczalnego napięcia pracy jest

oznakowana na każdym kondensatorze bądź w postaci opisu cyfrowego
bądź też za pomocą kodu paskowego. W pierwszym przypadku stosuje się
nadruk liczbowy wraz z jednostkami, np. 10

µ

/16 V. Zwykle w oznaczeniu

jednostki pomija się literę F. W drugim przypadku stosuję się kod paskowy
naniesiony na kondensatorze - tablica 1. Kondensator może być oznaczony
trzema, czterema lub pięcioma paskami.

Kondensatory ceramiczne mogą być także oznaczone w sposób
przedstawiony poniżej oparty na przykładach.

7. Tablica kodów paskowych kondensatorów .

wartość

oznaczenia

1 p

1

10 p

10

100 p

101

1000 p = 1 n

102

10000 p = 10 n

103

100000 p = 100 n

104

kolor opis koloru

pasek 1 pasek 2

pasek 3

(opcjonalnie)

pasek 4

(opcjonalnie)

mnożnik

czarny

0

0

0

x 1pF

brązowy

1

1

1

1

x 10pF

czerwony

2

2

2

2

x 100pF

pomarańczowy

3

3

3

3

x 1nF

ż

ółty

4

4

4

4

x 10nF

zielony

5

5

5

5

x 100nF

niebieski

6

6

6

6

≠

0,25%

fiolet

7

7

7

7

≠

0,1%

szary

8

8

8

8

biały

9

9

9

9

Strona 11 z 12

Kondensatory

2009-05-10

http://www.pwsz-ns.edu.pl/~aleksmar/strona/elektronika/kondensator/elem%20pojem...

Strona 12 z 12

Kondensatory

2009-05-10

http://www.pwsz-ns.edu.pl/~aleksmar/strona/elektronika/kondensator/elem%20pojem...