Elementy pasywne – Niby to takie proste – #3 – Kondensatory cz. II

Wstęp:

W poprzednim wpisie poruszyłem temat parametrów kondensatorów, zaś w drugiej odsłonie chcę scharakteryzować najpopularniejsze rodzaje tych elementów pasywnych. Odnosząc się do każdej grupy przeanalizuję miejsca zastosowań konkretnych konstrukcji.

Podział kondensatorów ze względu na konstrukcję:

  • Kondensatory foliowe: najpopularniejszymi materiałami, z których wykonany jest dielektryk są: polistyren, polipropylen, poliester. Kondensatory polistyrenowe są najstabilniejsze oraz mają najniższą tolerancję, lecz są rzadko używane z powodu problemu z metalizowaniem folii oraz niskiej odporności elektrycznej. Jak już wspomniałem w kondensatorach foliowych dokonuje się metalizacji, co wpływa na samo regenerację. Na skutek samo regeneracji stają się odporniejsze na impulsy przepięciowe (zmniejsza się pojemność kondensatora lecz nie ulega uszkodzeniu cały element).


    Zestawiając kondensatory foliowe z elektrolitycznymi biorąc pod uwagę: czas pracy (>100000h), odporność na temperaturę, wartość napięcia roboczego (nawet 10 kV), obciążalność prądową, stabilność pojemności w funkcji częstotliwości, ciężar i objętość te pierwsze są zdecydowanymi faworytami.


    Z powodu stabilności swojej pojemności w związku ze zmianami częstotliwości, temperatury i wysokiej wytrzymałości napięciowej stosowane są w filtrach EMI (Electromagnetic Interference); jako element zmieniający charakter obwodu tranzystorów dołączony równolegle do gałęzi tranzystorowej w przekształtnikach; kondensatory rozruchowe w silnikach, oraz rywalizują z kondensatorami elektrolitycznymi jako obwody pośredniczące w przekształtnikach energoelektronicznych. Jednak wspomniane parametry kosztują dlatego kondensatory foliowe stosuje się w miejscach gdzie bezawaryjność urządzeń jest bardzo ważna.

  • Kondensatory elektrolityczne: są to elementy spolaryzowane przyłożenie napięcia odwrotnie powoduje nieodwracalne uszkodzenia. Najpopularniejszą grupą „elektrolitów” są elementy z aluminiowymi elektrodami, dielektrykiem jest papier nasączony elektrolitem. Elektrolit pełni także rolę katody (elektroda ujemna), na skutek którego na anodzie powstaje warstwa tlenku glinu (dielektryk).


    Charakteryzują się wysokim współczynnikiem stratności, ich pojemność maleje ze wzrostem częstotliwości. Napięcie maksymalne wynosi 500V, aby użyć „elektrolitów” w obwodach wyższego napięcia należy połączyć je szeregowo. Szacowany czas pracy wynosi 2000 – 100000 h, lecz wszystko zależy od temperatury (spadek temperatury pracy o każde 10oC powoduje wzrost czasu życia dwukrotnie). Występują także kondensatory elektrolityczne nisko impedancyjne, przez co mniej się nagrzewają, uzyskując dłuższy czas pracy.


    Często stosowane w miejscach gdzie niezbędna jest wysoka pojemność i niska cena (np. DC-link przekształtnika).

  • Kondensatory tantalowe: są także elementami spolaryzowanymi (pasek na kondensatorze tantalowym nie oznacza bieguna ujemnego, lecz dodatni). Materiałem do konstrukcji jest spieczony proszek tantalu, zaś katoda konwencjonalnie wytwarzana była z dwutlenku manganu, lecz teraz zastępuje się ten materiał przewodzącymi polimerami (obniżenie ESR). Dielektrykiem jest także materiał tantalowy.


    Charakteryzują się większą tolerancją wykonania, oraz niższymi zależnościami pojemności od temperatury i częstotliwości w porównaniu z elektrolitycznymi. Wytrzymałość napięciowa kondensatorów tantalowych silnie zależy od temperatury, po przekroczeniu 85oC kondensator nie może pracować już przy swoim znamionowym napięciu. Mogą być używane nawet do 200oC.


    Kondensatory tantalowe stosowane są do 100V do magazynowania energii, czy filtracji napięcia.

  • Kondensatory ceramiczne: do ich budowy wykorzystywany jest dielektryk wytworzony z ceramiki. Konstrukcja ta charakteryzuje się nieliniowością związaną ze zmianami napięcia przyłożonego do kondensatora.


    Wraz ze wzrostem napięcia pojemność kondensatora spada na skutek zwiększenia odległości okładzin oraz zmiany przenikalności dielektryka. Zjawisko to jest większe w kondensatorach umieszczonych w mniejszych obudowach. Zdecydowanie lepiej znoszą pracę w wysokich temperaturach w porównaniu z foliowymi. Tam gdzie potrzebne są wysokie pojemności kondensatorów ceramicznych oraz praca w wysokich temperaturach nawet rzędu 200°C wykorzystywane są kondensatory ceramiczne wielowarstwowe (MLCC).


    Stosowane są w filtrach EMI jako kondensatory typu Y. Kondensatory ceramiczne nie mają sobie równych w urządzeniach przenośnych ze względu na małe gabaryty, cenę czy parametry; są także dobrym rozwiązaniem w wysokich częstotliwościach. Są bardzo często używane jako zabezpieczenia przed zakłóceniami umieszczane jak najbliżej chronionych komponentów. Do filtrowania napięcia powiedzmy wyjściowego ze stabilizatora używano pierwotnie dwóch kondensatorów jednego elektrolitycznego o dużej i ceramicznego o małej pojemności. Obecnie po wprowadzeniu kondensatorów MLCC używa się tylko jednego kondensatora MLCC o dużej pojemności.

  • Superkondensatory: służą do magazynowania dużych ilości energii podobnie jak w bateriach, lecz ilość cykli pracy superkondensatorów jest znacznie wyższa. Superkondensatory z zreguły ładowane są dużym prądem impulsowym. Superkondensatory znalazły zastosowanie w samochodach elektrycznych jako swojego rodzaju elementy służące do „przelewania energii” odzyskiwanej podczas hamowania samochodu (praca generatorowa napędów) i pożytkowanie jej np. podczas podjazdu pod wzniesienia. Ogniwa superkondensatorów są niskonapięciowe dlatego trzeba łączyć je ze sobą szeregowo. Kolejną wadą ogniw superkondensatorów jest duży rozrzut pojemnościowy ogniw, dlatego (20 – 30%) dlatego niezbędny jest układ wyrównywania napięć na ogniwach superkondensatora.

Definicje

Kondensatory tupu X: umieszczane pomiędzy liniami czynnymi np. pomiędzy przewodem L i N.


Kondensatory typu Y: umieszczane pomiędzy przewodem czynnym, a przewodem PE.

Reasumując

Kondensatorów foliowych używamy w miejscach gdzie bardzo ważna jest stałość parametrów niezależnie od warunków pracy, oraz tam gdzie cena gra rolę drugorzędną, najważniejszy jest bezawaryjny czas pracy urządzenia.


Kondensatory elektrolityczne używane są wszędzie tam gdzie jest zapotrzebowanie na dużą pojemność i cena odgrywa tam ważną rolę.


Kondensatory tantalowe są lepszą są alternatywą dla kondensatorów elektrolitycznych w obwodach niskonapięciowych, mają stabilniejsze parametry.


Kondensatory ceramiczne są  tańszą opcją dla kondensatorów foliowych oraz zajmują mniej miejsca niż kondensatory foliowe.


Superkondensatorów nie spotkamy w urządzeniach codziennego użytku, wspomniałem o nich dlatego, że mówi się coraz częściej o samochodach elektrycznych gdzie na pewno znajdą zastosowanie, jako element zdolny do dynamicznego odbierania/przekazywania energii.

Autor artykułu
Mateusz Pluta

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *