Kondensator

Autor: Dondu

Kondensator (ang. capacitor) - jest to element elektryczny, zbudowany z dwóch przewodników (okładek) przedzielonych dielektrykiem (izolator).

Kondensator do którego podłączono napięcie powoduje zgromadzenie ładunku (naładowanie kondensatora).

Po odłączeniu źródła napięcia ładunek utrzymuje się w kondensatorze.

Tak by było, gdyby nie fakt, że ...

Kondensator nie jest elementem idealnym.

Jak każdy element elektroniczny także kondensator nie jest elementem idealnym. Dlatego też można przedstawić go za pomocą poniższego schematu zastępczego:

Rys. 1 - Schemat zastępczy kondensatora.

Jak widzisz na schemacie oprócz pojemności C w kondensatorze mamy do czynienia także z innymi zjawiskami, które przedstawiają pozostałe symbole:
Rs - rezystancja
Ls - indukcyjność
Rp - upływność


Rezystancja kondensatora 
(ang. ESR - Equivalent Series Resistance)

Każdy kondensator ma pewną rezystancję, na którą składa się rezystancja wyprowadzeń, okładek oraz straty na dielektryku. Rezystancję tę oznacza się poprzez ESR, na schemacie zastępczym symbolizuje ją rezystor Rs. Różne kondensatory mają ESR różnej wielkości, przez co mogą mieć różne właściwości.

Parametr ESR ma istotne znaczenie dla szybkości ładowania i rozładowywania się kondensatora. Im większe ESR tym dłuższy czas ładowania. Im mniejsze ESR tym czas ten jest krótszy.

Wyróżnia się specjalną grupę kondensatorów o niskiej wartości parametry ESR tzw. LOW ESR.


Indukcyjność kondensatora

Wyprowadzenia oraz okładki kondensatora stanowią pewną niewielką indukcyjność oznaczoną na schemacie zastępczym jako Ls. Jednakże dla podstawowych zastosowań w projektach z mikrokontrolerami ten parametr nie ma większego znaczenia, dlatego też raczej nie znajdziesz go w datasheet.


Upływność kondensatora
(ang. Leakage Current)

Upływność na schemacie zastępczym symbolizowana jest jako rezystor Rp i obejmuje znaczą, ale jednak skończoną wartość rezystancji dielektryka pomiędzy okładkami kondensatora. Innymi słowy, dielektryk nie jest idealnym izolatorem, stąd ładunek zgromadzony na okładkach częściowo i powoli przenika przez dielektryk, powodując powolne rozładowywanie kondensatora.

Kiedy upływność ma znaczenie?

1. Przede wszystkim w projektach (zasilanych z baterii czy akumulatorów), w których z reguły zależy nam na minimalizowaniu zużycia energii. Dobieramy wtedy kondensatory o niskiej wartości upływności.
2. Gdy kondensator używany jest jako pamięć poziomu napięcia, np. na wejściach przetworników analogowo-cyfrowych.

Symulator schematu zastępczego kondensatora 

Poniżej znajdziesz symulator schematu zastępczego kondensatora (z pominięciem indukcyjności). Aby przetestować kondensator postępuj tak:

1. Przyciśnij przycisk SW1 i przytrzymaj go aż do momentu, gdy kondensator zostanie dobrze naładowany, co zauważysz na wykresie (kolor zielony) oraz na wyświetlanych paramerach.
2. Zwolnij przycisk SW1 i obserwuj jak upływność kondensatora powoduje jego powolne rozładowanie.
3. Przyciskając przycisk SW2 możesz szybko rozładować kondensator.

Wartości elementów dobrałem tak, aby w symulatorze pokazać panujące w kondensatorze zjawiska i nie są to wartości rzeczywiste.

Jeżeli symulator "wariuje" naciśnij przycisk RESET.


Uwaga!!! Jeżeli symulator nie działa przeczytaj ten komunikat:
Problem symulatora Circuit Simulator

Zauważ, że w momencie włączenia SW1 następuje gwałtowny skok natężenia prądu (wykres żółty) i powolny wzrost napięcia na kondensatorze. Podobnie w przypadku rozładowywania kondensatora przyciskiem SW2, prąd narasta gwałtownie lecz w przeciwnym kierunku (dlatego wykres jest poniżej osi czasu), a napięcie na kondensatorze powoli się zmniejsza do zera.

To nic innego jak działanie filtru RC.



Napięcie

Bardzo często początkujący stają przed problemem doboru parametru napięcia kondensatora.

Nie stosuj kondensatorów o dopuszczalnym maksymalnym napięciu mniejszym niż napięcie faktycznie go zasilające.

Bezpiecznie jest stosować zasadę, że stosowany kondensator powinien mieć parametr napięcia o 50% wyższy niż faktycznie maksymalne zasilającego go napięcie.

Innymi słowy, jeżeli stosujesz kondensator, który podłączony będzie do 5V powinieneś zastosować kondensator na napięcie:

5V • 1,5 = 7,5V

Jeżeli nie ma kondensatora o tak wyliczonym napięciu, to zastosuj nieco wyższy.

Polaryzacja

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). W ostateczności posiłkuj się tymi zdjęciami:

Źródło zdjęć: Wikipedia

---

Rodzaje kondensatorów

Kondensatory dzieli się zależnie od ich budowy oraz zastosowań. Nie omawiam tutaj wszystkich, a jedynie te które są najczęściej stosowane w projektach z mikrokontrolerami.

Kondensatory elektrolityczne
(ang. electrolytic capacitor)

Kondensatory popularnie zwane elektrolitami, stosowane są w szczególności jako:

• elementy filtrujące tętnienia  w zasilaczach i regulatorach napięcia,
• magazyny energii na płytkach PCB w okolicach układów, które wymagają bardzo stabilnego zasilania np. mikrokontrolerach, 
• jako elementy bazowe w układach przeróżnych filtrów sygnałów analogowych.

Kondensatory te mają polaryzację i charakteryzują się relatywnie dużą upływnością.

Kondensatory tantalowe
(ang. tantalum capacitor)

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. Te zalety powodują, że niestety są droższe od ich elektrolitycznego odpowiednika.

W żargonie elektroników nazywamy je tantalami.

Kondensatory ceramiczne
(ang. ceramic capacitor)

Charakteryzują się niskim ESR i upływnością. To najczęściej występujące kondensatory w systemach opartych o mikrokontrolery. Stosuj je do:

• filtrowania zasilania wspólnie z magazynami energii opartymi o elektrolity lub tantale,
• filtrowania zakłóceń na nóżkach zasilających układy scalone w tym mikrokontrolery,
• współpracy z kwarcami  (patrz datasheet danego kwarcu),
• innych miejscach, w których nie jesteś pewien jakiego typu kondensator powinieneś zastosować.

W żargonie elektroników mówimy o nich: Ceramiki.

Kondensatory foliowe 
(ang. film capacitor)

Kondensatory te charakteryzują się:

• małym ESR
• bardzo małą upływnością,
• małą pojemnością.

Zastosowania? Podobnie jak ceramiczne.

Kondensatory Gold Capacitor.

Superkondensatory 
(ang. gold capacitor, ultra capacitor, boost capacitor)

To kondensatory o bardzo dużych pojemnościach liczonych w Faradach. Stosowane są przede wszystkim jako wydajne źródła o niskiej upływności i ESR.

Popularnie nazywamy je: goldcap. Wcale nie muszą być złote, by się tak nazywać :-)

Jednakże w porównaniu z bateriami i akumulatorami ich wadą jest wykładnicza charakterystyka rozładowania, co oznacza, że podczas pobierania z nich prądu szybko spada napięcie pomimo, że zgromadzony w nich ładunek jest jeszcze spory.

Dla porównania zobacz jak wyglądają wykresy dobrych baterii: Bateria zasila mikrokontroler

Wniosek jest prosty: Superkondensator nie zastąpi dobrej baterii, ale świetnie nadaje się jako pomocnicze zasilanie, w przypadku utraty zasilania głównego.

I tutaj często spotyka się wśród początkujących problem. Podłączają superkondensator na wyjściu regulatora napięcia jak zwykły kondensator elektrolityczny. 

Efekt może (choć nie musi) być taki, że zanim superkondensator się naładuje "pożera" znaczną część energi z regulatora napięcia powodując powolne narastanie napięcia zasilającego, co często uniemożliwia pracę urządzenia do momentu naładowania się superkondensatora. Może to trwać wiele sekund, a nawet minut.

motorolae365ok
... golodcap ładuje się 5 min i jest dopiero 2.2V na nim ...

Jest to spowodowane zbyt małą wydajnością prądową regulatora napięcia, w stosunku do ESR kondensatora. Dlatego często wymagane jest specjalne podejście do tego problemu, o którym napiszemy osobny artykuł.

W skrajnych przypadkach takie niefortunne podłączenie może doprowadzić do uszkodzenia regulatora napięcia z powodu zbyt dużych prądów.

Wikipedia: Superkondensator

---

Obudowy

Generalnie dla projektów z mikrokontrolerami stosuje się kondensatory SMD (mikro montaż) lub THT (przewlekane, czyli z drucikami umieszczanymi w otworach płytki PCB).

Obudów jest wiele rodzajów. Zastosowana obudowa zależy od rodzaju kondensatora, pojemności i napięcia jego pracy. Często też istotne dla konstruktora urządzenia są gabaryty kondensatora, stąd czasami warto zapłacić parę groszy więcej i zamiast kondensatora elektrolitycznego użyć tantalowy lub dwa mniejsze.

Zanim zaprojektujesz płytkę PCB pamiętaj, by w schemacie użyć kondensatora z odpowiednią wersją obudowy.

---

Oznaczenia

Na większości kondensatorów z wyjątkiem najmniejszych w technologii SMD znajdziesz oznaczenia mówiące o najważniejszych jego parametrach.

W datasheet znajdziesz dokładny opis oznaczeń Twojego kondensatora, na przykład:

---

Istotne parametry kondensatorów

Aby dobrać odpowiedni kondensator powinieneś znać co najmniej poniższe parametry:

Parametr	Znaczenie
Rated Voltage Range	Dopuszczalny zakres napięcia pracy, którego nie należy przekraczać w szczególności górnej granicy.
Operating Temperature Range	Dopuszczalny zakres temperatury pracy, której nie należy przekraczać w szczególności górnej granicy.
Capacitance Tolerance	Tolerancja (dokładność wykonania) pojemności podawana z reguły dla temperatury pokojowej 20°C i sygnału o częstotliwości 120Hz.
Leakage Current	Prąd upływu (upływność)

Parametry te znajdziesz w datasheet kondensatora. Nazwy mogą się minimalnie różnić, ale teraz już wiesz czego szukać.

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. Szczegółowe informacje o wpływie temperatury na kondensator znajdziesz w datasheet.

---

Łączenie kondensatorów

Kondensatory można łączyć szeregowo lub równolegle. Można także mieszać ze sobą oba rodzaje połączeń.



Łączenie równoległe

Łączenie to powoduje zwiększenie (sumowanie) otrzymanej w ten sposób pojemności.

Łączenie równoległe przedstawia się wzorem:

Innymi słowy pojemność wypadkowa kondensatora powstałego z równolegle połączonych kondensatorów, równa jest sumie pojemności wszystkich kondensatorów.

Nie zawsze połączenie równoległe ma za zadanie zwiększać pojemność tak powstałego kondensatora. Często spotkasz się z równoległym łączeniem kondensatorów np. 100µF i 100nF. Więcej na ten temat piszę w dalszej części tego artykułu.

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. Innymi słowy jeżeli weźmiesz 10 kondensatorów elektrolitycznych o pojemności 10µF każdy i połączysz je równolegle, to łączny ESR będzie znacznie mniejszy niż ESR pojedynczego kondensatora elektrolitycznego o pojemności 100µF.

Dlaczego tak się dzieje? Bo to tak jakbyś łączył równolegle rezystory Rs ze schematu zastępczego kondensatora.

Nie zawsze jednak zmniejszenie ESR jest nam potrzebne, a czasami może być wręcz niechciane. Ale są to bardzo specyficzne przypadki.




Łączenie szeregowe

Łączenie szeregowe jest rzadko wykorzystywane w projektach dot. mikrokontrolerów, dlatego podam tylko podstawową wiedzę.

Wypadkową pojemność tak powstałego kondensatora liczymy za pomocą wzoru:

Dla dwóch kondensatorów powyższy wzór po przekształceniu wygląda tak:

ESR tak powstałego kondensatora jest większy niż ESR pojedynczego kondensatora, zgodnie z zasadą łączenia szeregowego rezystorów.



Łączenie mieszane

Można dowolnie kombinować z łączeniem kondensatorów, by osiągnąć zamierzony cel. W takich przypadkach, aby obliczyć wypadkową pojemność należy rozpatrywać układ dzieląc go na części.

W przykładzie pokazanym poniżej wystarczy najpierw policzyć wypadkową pojemność kondensatorów połączonych równolegle C1, C2 i C3, a następnie tak obliczoną pojemność podstawić do wzoru na łączenie szeregowe razem z kondensatorem C4.

Zagadki

Poniżej dwie zagadki: Jak połączone są te kondensatory?

Zagadka 1

Kondensator C1 i C2 mają zwarte swoje wyprowadzenia, czyli należy je pominąć. Pozostaje więc tylko kondensator C3.

Zagadka 2

To podchwytliwe zadanie. Gdy przyglądniesz się dokładnie zaznaczając jedną stronę każdego kondensatora, to stwierdzisz, że są połączone równolegle :-)

---

Wykorzystanie kondensatorów w mikrokontrolerach

Pomimo, że mikrokontrolery to układy cyfrowe, w urządzeniach je wykorzystujących znajdziesz wiele różnych i niezbędnych kondensatorów. Podobnie jest w komputerach - dokładnie przyglądnij się płycie głównej lub dowolnej karcie.


Zasilanie

W regulatorach napięcia (potocznie zwanych stabilizatorami) stosowanych do zasilania urządzeń, kondensatory mają dwojakie zastosowania. Na przykład na wejściach i wyjściach regulatorów stosuje się równolegle połączone kondensatory:

• liczone w µF - mają za zadanie eliminowanie tętnień o niskiej częstotliwości.
• liczone w nF - mają za zadanie eliminowanie zakłóceń "szpilkowych", czyli o bardzo krótkim czasie trwania, pochodzących z różnych źródeł, w tym także z samego regulatora napięcia.

W ten sposób skutecznie eliminuje się tętnienia i zakłócenia.
Więcej na ten temat: Zasilanie mikrokontrolera

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 (opisałem powyżej). Znacznie lepsze i tańsze efekty da się często uzyskać łącząc równolegle dwa kondensatory np. 220µF.

Filtracja zakłóceń zasilania układów scalonych

Podobnie jak w przypadku filtrowania regulatorów napięcia, układy scalone (w tym mikrokontrolery), także wymagają filtrowania zasilania tym bardziej, że same są generatorami zakłóceń. Dlatego jest niezmiernie istotne, by nie oszczędzać na filtracji ich zasilania: Lekceważyć, czy nie?

Filtracja mierzonych sygnałów

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. Należy jednak pamiętać, że taki filtr wprowadza pewne ograniczenia związane z pasmem przenoszenia, co w praktyce oznacza, że możesz stosować go tylko do przebiegów wolno zmiennych, albo musisz zastosować dodatkową kalibrację programową wyników pomiarów.



Eliminacja drgań styków

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. W takich przypadkach dobrze jest zastosować dodatkowy rezystor w szeregu ze stykami. Więcej na ten temat znajdziesz tutaj: Przycisk - drgania styków - bouncing