Parametry kondensatorów

[H1M4W4R1]

Wstęp

Wielu elektroników-hobbystów projektuje układy elektroniczne, aczkolwiek niewielu zdaje sobie sprawę jak skomplikowaną czynnością jest prawidłowy dobór kondensatora. Każdy jeden parametr wpływa na jego pracę, a źle dobrany kondensator spowoduje, iż nasz obwód nie będzie należycie działał.

Jak wybrać kondensator? Na jakie parametry zwrócić uwagę? Tego dowiesz się z tego artykułu.

Wszystkie wykresy dotyczące konkretnego kondensatora dotyczą kondensatora ceramicznego 47uF 6.3V produkcji Murata Electronics.

Rodzaje kondensatorów

Na wstępie warto wymienić najbardziej popularne rodzaje kondensatorów i ich zastosowanie:

• kondensatory elektrolityczne – najczęściej spotykane w projektach zasilaczy lub sprzętu audio – najlepiej używać ich z niskimi częstotliwościami (poniżej 10-20kHz). Cechują się dużą pojemnością.
• kondensatory ceramiczne – używane w sprzęcie wysokich częstotliwości ze względu na to, iż ich ESR zmniejsza się wraz ze wzrostem częstotliwości (do osiągnięcia punktu rezonansu)
• kondensatory foliowe – używane w układach wysokiego napięcia i zachowują stabilność podczas pracy z dużymi prądami

Przykładowe kondensatory (Eric Schrader, Wikipedia, CC BY-SA 2.0)

Pojemność

Podstawowy parametr, na który każdy elektronik zwraca uwagę. Pojemność wpływa na reaktancję kondensatora (opór pojemnościowy), który ma znaczenie w przypadku projektowania obwodów o zmiennym napięciu (w obwodach cyfrowych zmienne napięcie występuje praktycznie wszędzie – każda magistrala danych charakteryzuje się zmiennym napięciem). Zazwyczaj jednak pojemność jest używana do wyboru kondensatora, gdyż mało który dystrybutor podaje wartość reaktancji w wyszukiwarce.

Z reguły pojemność dobiera się na podstawie wzorów i schematów producenta danego układu scalonego, a gdy takie nie istnieją to wykorzystujemy zasadę – jeden kondensator małej pojemności (100-220nF) na każdy pin zasilający oraz jeden kondensator względnie dużej pojemności (2.2-4.7uF) na każdy układ pobierający znaczny prąd (np. mikrokontroler). Jak zdefiniować układ pobierający znaczny prąd? Osobiście korzystam z wartości 5-10mA maksymalnego poboru prądu w trybie pracy układu jako wyznacznika granicy.

ESR i ESL

Rezystancja szeregowa i indukcyjność szeregowa – niechciane parametry wynikające z niedokładności naszego świata. Każdy kondensator się nimi charakteryzuje, a wpływają one na maksymalną częstotliwość, z jaką może pracować układ. Z reguły kondensatory o większej pojemności posiadają mniejsze wartości ESR.

Jak sprawdzić czy kondensator posiada sensowne wartości ESR? Najlepiej skorzystać z wykresu poniżej. Może zdarzyć się, iż zbyt niska wartość ESR jest tak samo niepożądana jak zbyt wysoka, aczkolwiek są to sporadyczne przypadki.

Zależność parametrów od częstotliwości

Każdy z powyższych parametrów zależy od częstotliwości pracy, co przedstawiają poniższe wykresy:

Należy zwrócić uwagę, iż nasza docelowa częstotliwość pracy układu to nie jest częstotliwość wynikająca z taktowania zegara np. mikrokontrolera (dla przykładu ATMega328P może być taktowana zegarem do 20MHz, ale maksymalna częstotliwość jaką powinniśmy być zainteresowani to ok. 10*20MHz czyli 200MHz, a najlepiej 25*20MHz = 500MHz). Wynika to z tego, iż czasy narastania są zazwyczaj w okolicy 10% okresu zegara układu (w dobrze zaprojektowanym układzie nawet mniej), z tego powodu częstotliwość docelowa znacząco się zmienia.

Zazwyczaj staramy się wybrać kondensator o jak najmniejszej ESL i ESR dla danej częstotliwości maksymalnej, aczkolwiek jeszcze przed osiągnięciem punktu rezonansu (najczęściej w okolicy najmniejszej wartości ESR).

Współczynnik jakości oraz rozproszenia (Q oraz DF)

Współczynnik jakości to iloraz reaktancji kondensatora przez jego ESR. Zazwyczaj określa czy dany kondensator będzie dobrym wyborem do naszego zastosowania. Współczynnik ten obliczamy dla określonej częstotliwości pracy, a dla bardziej zainteresowanych - opisuje on stabilność oscylacji kondensatora.

Współczynnik rozproszenia opisuje zależność przeciwną – jak dobrze kondensator rozprasza oscylacje (jak duże są straty mocy).

W zależności od zastosowania kondensatora wybieramy odpowiedni współczynnik, na którym bazujemy (w zdecydowanej większości przypadków jest to współczynnik Q).

Temperatura pracy

Jeżeli kondensator pracuje to ze względu na swoją niedoskonałość się nagrzewa. Nagrzewanie to powoduje zmianę parametrów. Podobnie również temperatura otoczenia ma wpływ na właściwości kondensatora, aczkolwiek najlepiej będzie to przedstawić na wykresach:

Wynika z nich, iż wraz ze wzrostem częstotliwości kondensator nagrzewa się mniej, podobnie jak w przypadku, gdy pobierany jest z niego mniejszy prąd (np. w przypadku nagłego skoku poboru w mikrokontrolerze wynikającego z transmisji danych radiowych).

Rodzaj dielektryka ma znaczący wpływ na maksymalną temperaturę z jaką może pracować kondensator. Kondensatory aluminiowe / elektrolityczne są podatne na przyśpieszone wysychanie pracując w warunkach podwyższonej temperatury.

DC Bias

Kondensatory ceramiczne z reguły nie lubią napięcia stałego. Wraz ze wzrostem tegoż napięcia na kondensatorze znacząco maleje jego pojemność, co przedstawia poniższy wykres:

Wynika z niego również to, iż najlepiej stosować kondensatory o napięciu ok. 2-3x większym niż maksymalne napięcie stałe, które będzie "przyłożone" do kondensatora, by zredukować straty wynikające ze spadku pojemności. W przypadku, gdy powinniśmy zastosować konkretną wartość pojemności (np. przy kondensatorach obok oscylatora kwarcowego) musimy mieć na uwagę, by dobrać kondensator o nieco większej wartości ze względu właśnie na powyższy spadek pojemności.

AC Bias

Podobnie jak napięcie stałe tak i napięcie zmienne na wpływ na pojemność kondensatora, aczkolwiek jest on znacznie niższy (pomijalny), co widać na przedstawionym przykładzie:

Warto też nadmienić, iż w tym przypadku większe napięcie z reguły oznacza zwiększenie pojemności kondensatora (a nie jej obniżenie).

Upływność

Kondensatory charakteryzuje również upływność – rezystancja równoległa do kondensatora (nie jest to rezystancja szeregowa jak ESR). Powoduje, iż naładowany kondensator z czasem będzie tracił swój ładunek.

Rodzaje dielektryków

Na parametry kondensatora ma szczególny wpływ rodzaj dielektryka, aczkolwiek jest on celowo pominięty w tym artykule, gdyż dużo lepszą metodą jest weryfikacja wszystkich cech danego podzespołu.

Poniższe tabele przedstawia rodzaje dielektryków (w uproszczonym podziale):

Zazwyczaj dla wysokich częstotliwości należy stosować kondensatory ceramiczne (najlepiej NP0/C0G), a dla niskich kondensatory elektrolityczne.

W sekcjach zasilania (np. jako kondensatory odsprzęgające) świetnie sprawdzają się X5R/X7R, aczkolwiek należy mieć na uwadze, iż nie są one tak dobre jak klasa 1, co może powodować powstawanie zakłóceń.

Dlatego w sekcjach audio (konkretniej w obwodzie audio, a nie sekcji zasilania) należy stosować tylko i wyłącznie kondensatory C0G/NP0 (lub elektrolityczne). Zasilanie wzmacniaczy można spokojnie odsprzęgać X7R/X5R.

Jeżeli widzisz kondensator klasy 3 to omijaj go szerokim łukiem

O wyborze kondensatora klasy 1 słów kilka

Współczynnik alfa dla kondensatorów klasy 1 określa zmianę pojemności względem temperatury, aczkolwiek i tak większość osób wybiera kondensatory klasy NP0 Tolerancja określa jak bardzo współczynnik może być "odchylony" od swojej docelowej wartości. Wykresy poniżej obrazują to dość dokładnie:

Widać ewidentnie, iż w klasie 1 najlepszym wyborem jest kondensator typu NP0, gdyż temperatura nie ma wpływu na jego pojemność. Oczywiście te kondensatory są bardzo drogie, dlatego w większości sprzętu znajdziemy kondensatory klasy 2 (X5R/X7R), które są znacznie tańsze.

Podsumowanie

Jak wynika z tego artykułu wybór kondensatora nie jest takim prostym zadaniem jakim się wydaje. Z reguły do większości hobbystycznych projektów wystarczą kondensatory X5R/X7R, ale niekiedy zdarzyć się może korzystanie z magistrali USB HS, która powoduje iż należy już zwracać uwagę na maksymalną częstotliwość pracy kondensatora.

 

 

Edytowano Grudzień 14, 2023 przez H1M4W4R1