Zróżnicowane Kondensatory Elektrolityczne i Rodzaje Filtracji Zasilania
- Szczegóły
Przez kilkadziesiąt lat rozwoju elektroniki na rynku pojawiły się tysiące grup i odmian elementów elektronicznych. Niektóre z nich stanowią bazę, bez której nie można wyobrazić sobie żadnego, nawet najprostszego układu elektronicznego. Jednym z takich elementów jest kondensator.
Kondensator (ang. Capacitor) to element elektroniczny lub elektryczny, który jest wykorzystywany do filtrowania, a także odsprzęgania zasilania. Jak każdy element elektroniczny także kondensator nie jest elementem idealnym.
Co to jest kondensator?
Budowa i zasada działania kondensatora są proste: dwie płaszczyzny przewodnika (najczęściej metalu), zwane okładkami, oddzielone są od siebie cienką warstwą dielektryka (izolatora). Po przyłożeniu do nich napięcia stałego, ładunki o przeciwnych znakach gromadzą się na odpowiednich okładkach. Miarą ilości ładunków, które może zgromadzić dany kondensator, jest jego pojemność. Wyrażamy ją w faradach (F). Większość kondensatorów ma pojemności znacznie mniejsze, rzędu bilionowych (pF - pikofarad), miliardowych (nF - nanofarad) czy milionowych (uF - mikrofarad) części jednostki podstawowej.
Pojemność kondensatora możemy wpłynąć modyfikując trzy parametry: powierzchnię okładek, odległość pomiędzy nimi oraz przenikalność izolatora. Jeżeli chcemy uzyskać kondensator o dużej pojemności, powinniśmy zastosować duże okładki, zmniejszyć odległość pomiędzy nimi oraz zastosować możliwie „dobry” dielektryk. Zwiększając powierzchnię okładek, nieuchronnie zwiększamy gabaryty kondensatora, zaś zmniejszając odległość pomiędzy okładkami, obniżamy maksymalne napięcie, z jakim może pracować kondensator.
W przypadku kondensatorów foliowych, okładki mają postać długich pasków cienkiej, metalowej folii, przedzielonych równie długim i cienkim paskiem folii z odpowiedniego tworzywa sztucznego. Nieco inną budowę mają kondensatory elektrolityczne - ich pojemności są wielokrotnie wyższe, ponieważ rolę dielektryka pełni wytworzona chemicznie, cienka warstwa tlenku na powierzchni jednej z okładek.
Przeczytaj także: Filtracja z kondensatorami ceramicznymi
Pamiętajmy, że symbol kondensatora w schematach elektrycznych to najczęściej dwie pionowe, równoległe kreski.
Rodzaje Kondensatorów
Kondensatory dzieli się zależnie od ich budowy oraz zastosowań. Wyróżniamy wiele rodzajów kondensatorów charakteryzujących się różnymi właściwościami.
- Kondensatory foliowe: Charakteryzują się dobrą stabilnością parametrów i potrafią pracować przy wysokich napięciach. Izolatorem w tych kondensatorach jest folia z tworzywa sztucznego np. poliestrowa, polipropylenowa lub poliwęglanowa.
- Kondensatory elektrolityczne: Oferują bardzo wysokie pojemności. Charakteryzują się dodatkowo dość małymi dokładnościami pojemności (zazwyczaj +/-20%) i są elementami spolaryzowanymi. Biegunowość kondensatorów elektrolitycznych poznamy po długości jego wyprowadzeń (dla THT).
- Kondensatory tantalowe: Podobnie jak elektrolityczne mają polaryzację, ale charakteryzują się znacznie mniejszym ESR oraz upływnością, są bardziej odporne na warunki zewnętrzne i mniejsze niż elektrolityczne przy tej samej pojemności i napięciu pracy.
- Kondensatory ceramiczne: Charakteryzują się najniższymi pojemnościami, ale oferują dobrą stabilność temperaturową, małą tolerancję pojemnościową i małe straty.
- Superkondensatory: To kondensatory o bardzo dużych pojemnościach liczonych w Faradach.
- Kondensatory SMD: Produkowane są w obudowach, których rozmiary zakodowane są w ich nazwach. Dwie pierwsze cyfry oznaczają ich długość, dwie kolejne szerokość.
Parametry Kondensatorów
Najważniejsze parametry kondensatorów:
- Pojemność (C): Oznaczana symbolem C i jednostką Faradem [F].
- Napięcie znamionowe: Drugi najważniejszy parametr kondensatora.
- ESR (Equivalent Series Resistance): Każdy kondensator ma pewną rezystancję, na którą składa się rezystancja wyprowadzeń, okładek oraz straty na dielektryku. Parametr ESR ma istotne znaczenie dla szybkości ładowania i rozładowywania się kondensatora. Im większe ESR tym dłuższy czas ładowania.
- Indukcyjność (Ls): Wyprowadzenia oraz okładki kondensatora stanowią pewną niewielką indukcyjność oznaczoną na schemacie zastępczym jako Ls.
- Upływność (Rp): Upływność na schemacie zastępczym symbolizowana jest jako rezystor Rp i obejmuje znaczą, ale jednak skończoną wartość rezystancji dielektryka pomiędzy okładkami kondensatora.
Należy być świadomym tego, że niektóre parametry mogą się zmieniać wraz ze zmianą temperatury pracy kondensatora. Na temperaturę pracy kondensatora wpływa otoczenie jak i prąd jego ładowania i rozładowywania.
Polaryzacja Kondensatorów Elektrolitycznych
Niektóre z kondensatorów mają określoną polaryzację, czyli wymóg prawidłowego podłączenia biegunów napięcia do odpowiednich nóżek kondensatora. Nieprawidłowe podłączenie może doprowadzić do uszkodzenia kondensatora, a czasami jego efektownego Puuuf! lub nawet Buuuum! Aby upewnić się, jak prawidłowo podłączyć dany kondensator zaglądnij do jego noty katalogowej (datasheet).
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
Łączenie Kondensatorów
Kondensatory można łączyć szeregowo lub równolegle.
- Połączenie równoległe: Nie zawsze połączenie równoległe ma za zadanie zwiększać pojemność tak powstałego kondensatora. Często spotkasz się z równoległym łączeniem kondensatorów np. 100µF i 100nF. Łączenie równoległe kondensatorów o łącznej pojemności Cz ma też istotną zaletę polegającą na tym, że łączny ESR tak połączonych kondensatorów jest mniejszy, niż analogicznego pojedynczego kondensatora o danej pojemności Cz.
- Połączenie szeregowe: Łączenie szeregowe jest rzadko wykorzystywane w projektach.
Można dowolnie kombinować z łączeniem kondensatorów, by osiągnąć zamierzony cel.
Zastosowanie Kondensatorów w Filtracji Zasilania
Pomimo, że mikrokontrolery to układy cyfrowe, w urządzeniach je wykorzystujących znajdziesz wiele różnych i niezbędnych kondensatorów. W regulatorach napięcia (potocznie zwanych stabilizatorami) stosowanych do zasilania urządzeń, kondensatory mają dwojakie zastosowania.
Bardzo często początkujący stosują w zasilaczach (wykorzystujących regulatory napięcia) olbrzymie wartości pojedynczych kondensatorów np. 4700µF sądząc, że w ten sposób lepiej wytłumią tętnienia. Przyczyną takiego postępowania jest brak wiedzy na temat ESR. Znacznie lepsze i tańsze efekty da się często uzyskać łącząc równolegle dwa kondensatory np.
Podobnie jak w przypadku filtrowania regulatorów napięcia, układy scalone (w tym mikrokontrolery), także wymagają filtrowania zasilania tym bardziej, że same są generatorami zakłóceń.
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
Czasami kondensatory są stosowane do wygładzania i stabilizowania mierzonych sygnałów przez przetwornik analogowo-cyfrowy, czy też komparator. Z reguły stosuje się je na wejściu, które podłączone jest do badanego sygnału poprzez prosty filtr RC.
Często początkujący stosują kondensatory do eliminowania drgań styków przycisków, czy sygnałów z przekaźników. W takim przypadku należy poznać problem, który takie wykorzystanie kondensatora powoduje, a które dotyczy prądu zwarcia kondensatora do masy przez styki przycisku, czy przekaźnika.
Jak Dobrać Kondensator do Układu Zasilania?
Do filtrowania napięcia całkowicie wystarczają zwykłe kondensatory elektrolityczne aluminiowe. W zasilaczach niekiedy stosuje się dodatkowo niewielkie kondensatory ceramiczne umieszczone przed mostkiem prostowniczym, mające za zadanie ograniczenie ewentualnych zakłóceń impulsowych przedostających się z sieci energetycznej przez transformator.
W prostych zasilaczach beztransformatorowych elementem ograniczającym prąd jest zwykle kondensator. Powinien to być kondensator polipropylenowy KMP (MKP) na napięcie 400V lub poliestrowy MKSE (MKT) na napięcie 630V.
Odsprzęganie Zasilania
Odsprzęganie zasilania jest konieczne praktycznie we wszystkich układach elektronicznych zawierających elementy wzmacniające. Bez prawidłowego odsprzężenia szyn zasilających układ może się wzbudzić lub będzie podatny na różne zakłócenia.
Dla częstotliwości bliskich rezonansu, impedancja równoległego obwodu LC jest duża, więc skuteczność odsprzęgania może być znikoma, wręcz żadna! Czym krótsze ścieżki i wyprowadzenia, tym mniejsze indukcyjności, a więc większe częstotliwości rezonansowe.
Kondensatory odsprzęgające zasilanie powinny być umieszczane jak najbliżej odsprzęganych obwodów i półprzewodników.
Kondensatory w Obwodach Sygnałowych
Pierwszy stopień przedwzmacniacza obowiązkowo powinien zawierać obwody dodatkowej filtracji napięcia zasilającego. Potrzebne one są zarówno ze względu na szumy, jak i dla zapobiegania samowzbudzeniu i przenikaniu zakłóceń z zasilacza sieciowego. Z zasady nie stosuje się tu zwykłych elektrolitów aluminiowych, a tylko tantalowe. Dobrze jest też dać mały, lokalny stabilizatorek.
W urządzeniach wysokiej klasy w roli kondensatorów sprzęgających zamiast kondensatorów elektrolitycznych stosuje się często kondensatory foliowe: poliestrowe i polipropylenowe, i to nie pojedynczo, tylko po kilka sztuk połączonych równolegle dla uzyskania pojemności rzędu 10…50μF!
W każdym razie unikaj stosowania zwykłych, aluminiowych elektrolitów w stopniach wejściowych nisko szumnych przedwzmacniaczy. Jeśli możliwe, stosuj sprzężenie bezpośrednie − galwaniczne. Gdy potrzeba, wykorzystaj kondensatory foliowe i tantalowe. W urządzeniach wysokiej klasy ferroelektryczne ceramiki stosuj tylko w układach odsprzęgania zasilania. Starannie unikaj stosowania ich w obwodach sygnałowych.
Uwagi Końcowe
Generalnie przy wszelkich kondensatorach musisz zwracać uwagę na warunki lutowania. Jeśli tylko masz możliwość dokładnego pomiaru pojemności, to proponuję ci przeprowadzenie szeregu prób w tym zakresie. Sam przekonaj się, na ile trzeba się tym przejmować, a na ile nie warto zawracać sobie głowy.
Na pewno masz świadomość, że od zwykłych aluminiowych elektrolitów nie można oczekiwać stabilności − zmiany pojemności z upływem czasu mogą znacznie przekroczyć 10%. Jedyne w miarę stabilne elektrolity to tantale, ale jeśli tylko masz dość miejsca, użyj raczej „baterii” kondensatorów MKSE (MKT) i zwiększaj współpracujące rezystancje.
tags: #zroznicowane #kondensatory #elektrolityczne #rodzaje #filtracji #zasilania
