http://www.pwsz-ns.edu.pl/~aleksmar/strona/elektronika/kondensa

ELEMENTY POJEMNOŚCIOWE

1. Ogólna charakterystyka kondensatorów i ich rodzaje.

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

oraz

rozmiary (grubość i powierzchnia) materiału dielektrycznego
wypełniającego przestrzeń między elektrodami przewodzącymi.
Kondensator słuŜy 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
natęŜeniu

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

≤

/ 2. W kondensatorze

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

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

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

, nazywany kątem strat

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

- rezystancja określona głównie upływnością dielektryka, R

i L

odpowiednio rezystancja i indukcyjność doprowadzeń, w tym takŜe
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. duŜą 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

). Do waŜniejszych parametrów kondensatora zalicza

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

Pojemność znamionowa C

kondensatora jest to wartość pojemności

załoŜona  przy  wytwarzaniu  kondensatora,  która  z  uwzględnieniem
tolerancji  jest  podawana  jako  jego  cecha.  W  określonych  warunkach
róŜnica  między  pojemnością  rzeczywistą  a  znamionową  kondensatora,  tj.
odchyłka  pojemności  kondensatora,  nie  moŜe  być  większa  niŜ  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

kondensatora jest to wartość napięcia

stałego  (dla  niektórych  kondensatorów  wartość  napięcia  przemiennego  o
określonej  częstotliwości,  zwykle  50  Hz),  które  moŜe  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 takŜe bez Ŝadnej szkody
wytrzymać napięcie o większej wartości, nazywane napięciem probierczym
U

(w zaleŜności od typu kondensatora U

= 1,4

2,5 U

). Wartość obu

tych  napięć  dla  danego  typu  kondensatora  zaleŜy  równieŜ  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.  JeŜeli  do
kondensatora  jest  doprowadzone  napięcie  zmienne,  to  w  pierwszym
przybliŜeniu  moŜna  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

(czyli tg

). Straty kondensatora są zazwyczaj większe niŜ

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

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

, nazywaną rezystancją izolacji, której wartość zaleŜy

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

< 0,1

F), znaczący wpływ na rezystancję izolacji ma materiał obudowy

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

> 0,1

F),

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

⋅

, określający tzw.

stałą

czasową

kondensatora.

przypadku

kondensatorów

elektrolitycznych zwykle zamiast rezystancji izolacji podaje się prąd
upływu I

Strona 3 z 12

Kondensatory

2009-05-10

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

Właściwości kondensatorów zaleŜą równieŜ od temperatury, dlatego

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

∆

C/(C

⋅

∆

F), określany zwykle w

jednostkach 10

-6

/deg. Współczynnik ten moŜe mieć wartość dodatnią,

ujemną lub nawet równą zeru w zaleŜności 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, gdyŜ od właściwości dielektryku zaleŜą tak istotne
parametry kondensatora jak stratność, stabilność, temperatura pracy,
rozmiary. Dalszej bardziej szczegółowej klasyfikacji kondensatorów
stałych dokonuje się zwykle ze względu na przeznaczenie (wyróŜnia 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 montaŜu
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 próŜniowo 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
Ŝ

ywicą. Kondensatory tworzywowe są obecnie wytwarzane w

największych ilościach oraz w bardzo duŜym asortymencie typów.

Kondensatory polistyrenowe wyróŜniają się duŜą stabilnością, duŜą
rezystancją izolacji, małym tangensem kąta strat, małym (a przy tym
stałym) ujemnym temperaturowym współczynnikiem pojemności oraz
moŜliwością 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 uŜytku.

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 niŜszym 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) złoŜonym z folii
polipropylenowej i bibułki kondensatorowej (kondensatory
polipropylenowo-papierowe).

Właściwości kondensatorów ceramicznych w istotny sposób zaleŜą

od  rodzaju  dielektryka.  Zazwyczaj  wyróŜnia  się  dwie  podstawowe  grupy
tych kondensatorów, róŜniące się zasadniczo właściwościami, a w wyniku
tego  i  przeznaczeniem:    -  kondensatory  typu  1,  charakteryzujące  się  małą
stratnością  oraz  liniową  zaleŜnością  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  duŜą  stratnością  oraz  silnie  nieliniową  zaleŜnością
pojemności  od  temperatury  i  napięcia,  najczęściej  stosowane  jako
kondensatory sprzęgające, blokujące itp.

Niekiedy wyróŜnia się jeszcze jedną grupę kondensatorów

ceramicznych,  tj.  kondensatory  typu  3,  charakteryzujące  się  duŜą
pojemnością  jednostkową,  przy  jednak  znacznie  gorszych  pozostałych
parametrach.  Kondensatory  ceramiczne  są  wykonywane  jako  płytkowe,
rurkowe  (w  tym  przepustowe),  foliowe  i  monolityczne.  Szczególnie
korzystne  cechy  (duŜą  pojemność  jednostkową,  duŜą  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...

duŜej stabilności, ściśle określonego temperaturowego współczynnika

pojemności, są wycofywane z produkcji ze względów materiałowo-
technologicznych. Coraz rzadziej są równieŜ 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 niŜ 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 moŜe przewyŜszać napięcia stałego,
suma zaś tych napięć - napięcia znamionowego kondensatora.
Kondensatory elektrolityczne niebiegunowe wytwarza się, składając je z
dwóch elektrod „anodowych" (rys. 4b). Taki kondensator moŜe 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 niŜ 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

rysunku

przedstawiono

schemat

zastępczy

(model)

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

- rezystancją warstwy izolatora (tlenku), R

- rezystancją

szeregową  wyraŜającą  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 wyróŜniają się (spośród wszystkich

kondensatorów)

największą

pojemnością

właściwą

(

F/cm

Podstawowymi

parametrami

tych

kondensatorów

są:

pojemność

znamionowa C

, tolerancja pojemności w %, tangens kąta strat tg

napięcie znamionowe U

. Nie mniej waŜnymi parametrami są prąd upływu

i maksymalny dopuszczalny prąd tętnień I

Kondensatory elektrolityczne dzieli się zwyczajowo na dwie grupy:

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

5. Charakterystyka kondensatorów zmiennych.

Kondensatorem zmiennym nazywa się kondensator, którego
pojemność moŜe 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 połoŜenia elektrod w ruchu
obrotowym). PoniewaŜ 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.

NajwaŜniejszymi parametrami kondensatorów zmiennych są: zakres

pojemności znamionowy (

∆

= C

max

– C

min

) i napięcie znamionowe U

oraz tangens kąta strat (tg

) i temperaturowy współczynnik pojemności

(TWP).

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

) 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), umoŜliwiając, dzięki określonego
kształtu elektrodom, otrzymanie liniowych zaleŜności 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,  Ŝe  jedna
pojemność  przy  obrocie  rotora  maleje,  druga  zaś  -  rośnie  (przy  czym
pojemność  wypadkowa  nie  ulega  zmianie)  nazywa  się  kondensatorem
róŜnicowym.

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, duŜą
dokładność  wykonania  i  pasowa  nią  elementów)  oraz  dielektryki  o  duŜej
przenikalności  elektrycznej  (np.

≈

1000). NajwaŜniejszą właściwością

elektryczną  takiego  kondensatora  jest  jak  największa  stabilność  wartości
pojemności  -  jakakolwiek  bowiem  zmiana  tej  pojemności  (np.  w  funkcji
temperatury  lub  innych  naraŜeń  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 kaŜdym kondensatorze bądź w postaci opisu cyfrowego
bądź teŜ za pomocą kodu paskowego. W pierwszym przypadku stosuje się
nadruk liczbowy wraz z jednostkami, np. 10

/16 V. Zwykle w oznaczeniu

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

Kondensatory ceramiczne mogą być takŜe oznaczone w sposób
przedstawiony poniŜej oparty na przykładach.

7. Tablica kodów paskowych kondensatorów .

wartość

oznaczenia

1 p

10 p

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)

mnoŜnik

czarny

x 1pF

brązowy

x 10pF

czerwony

x 100pF

pomarańczowy

x 1nF

ółty

x 10nF

zielony

x 100nF

niebieski

≠

0,25%

fiolet

≠

0,1%

szary

biały

Strona 11 z 12

Kondensatory

2009-05-10

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