Kondensatory ceramiczne to najczęściej stosowane na świecie elementy magazynujące ładunek elektryczny. Szczególną popularnością cieszą się modele przystosowane do montażu bezpośrednio na powierzchni płytek drukowanych (SMD). W tym poradniku przedstawiamy najważniejsze informacje dotyczące kondensatorów ceramicznych.
Omówimy ich budowę, zasadę działania, a także różne typy i dostępne warianty konstrukcyjne.
Kondensator ceramiczny to element elektroniczny, w którym dielektrykiem jest materiał ceramiczny. W zależności od właściwości ceramiki wyróżniamy kondensatory z dielektrykiem paraelektrycznym oraz ferroelektrycznym. Ceramiki paraelektryczne charakteryzują się niską stałą dielektryczną. Kondensatory wykonane z takich materiałów osiągają niewielkie pojemności, zazwyczaj do kilkuset pikofaradów. Ich zaletą jest niski temperaturowy współczynnik pojemności, minimalne straty energii oraz wysoka stabilność w czasie. Dzięki tym cechom znajdują szerokie zastosowanie w obwodach wysokiej częstotliwości oraz w filtrach.
Z kolei dielektryki ferroelektryczne odznaczają się wysoką przenikalnością elektryczną, zależną od natężenia pola elektrycznego. Kondensatory tego typu, mimo niewielkich rozmiarów, mogą osiągać pojemność do 100 mikrofaradów. Ze względu na dużą zależność parametrów od temperatury i wyższe straty energii, stosuje się je głównie do tłumienia zakłóceń oraz impulsów obcych w układach mocy, a także jako element sprzęgający w torach sygnałów wysokiej częstotliwości. Nie nadają się jednak do transmisji sygnałów akustycznych – na skutek zjawiska piezoelektrycznego powstaje tzw. efekt mikrofonowy, czyli przekształcanie drgań mechanicznych lub akustycznych w sygnały elektryczne.
Kondensatory ceramiczne przeznaczone do montażu przewlekanego (THT) mają zazwyczaj formę dysków z promieniście wyprowadzonymi przewodami. Jednak zdecydowana większość kondensatorów ceramicznych powstaje jako kondensatory warstwowe do montażu powierzchniowego, czyli SMD. Roczna produkcja tych elementów – znanych jako kondensatory ceramiczne wielowarstwowe (MLCC, Multi Layer Ceramic Capacitors) – przekracza szacunkowo bilion sztuk.
Oprócz popularnych kondensatorów SMD na rynku dostępne są również kondensatory ceramiczne nawinięte drutem. Stosuje się je głównie w celu eliminacji zakłóceń elektromagnetycznych w urządzeniach elektrycznych i elektronicznych.
Ze względu na zastosowane materiały dielektryczne, kondensatory ceramiczne dzieli się na trzy klasy. Do klasy 1 zalicza się kondensatory z dielektrykiem paraelektrycznym, natomiast do klasy 2 – z dielektrykiem ferroelektrycznym. Kondensatory MLCC stanowią odrębną kategorię.
Kondensatory ceramiczne klasy 2 z segmentu high-end znajdują zastosowanie m.in. w zasilaczach laserów wysokiego napięcia, wyłącznikach mocy oraz piecach indukcyjnych.
Małogabarytowe kondensatory SMD dominują na płytkach drukowanych – w układach o dużym zagęszczeniu komponentów są praktycznie niezastąpione. W przetwornicach prądu stałego skutecznie tłumią zakłócenia elektryczne w zakresie wysokich częstotliwości.
Kondensatory ceramiczne to uniwersalne rozwiązanie, które sprawdza się w wielu aplikacjach.
Nie mają polaryzacji i występują w szerokim zakresie pojemności, napięć roboczych i rozmiarów.
Wielu konstruktorów i entuzjastów, zwłaszcza w dziedzinie robotyki, chętnie sięga po ceramiczne kondensatory dyskowe w aplikacjach z silnikami prądu stałego z komutatorem. Pomagają one skutecznie ograniczać szumy wysokiej częstotliwości.
Do jakiej pojemności oferowane są kondensatory ceramiczne?
Standardowo maksymalna pojemność kondensatorów ceramicznych wykorzystywanych w typowych zastosowaniach wynosi 47 mikrofaradów. Warto jednak zaznaczyć, że elementy o tak wysokiej pojemności występują przeważnie w obudowach SMD, przeznaczonych do montażu bezpośrednio na płytce drukowanej.
Jakie tolerancje występują w przypadku kondensatorów ceramicznych?
Większość dostępnych na rynku kondensatorów ceramicznych klasy 1 i klasy 2 charakteryzuje się tolerancją na poziomie ±10%. Istnieją również warianty z tolerancją ±5% lub ±25%, zależnie od konstrukcji i przeznaczenia elementu.
Co oznacza skrót „RM”?
Skrót „RM”, często spotykany w opisach produktów, odnosi się do rasteru montażowego kondensatora, czyli odległości pomiędzy jego wyprowadzeniami. Najczęściej stosowanym wymiarem jest 0,1 cala, co odpowiada 2,54 mm. Takie rastery są standardem również w płytkach prototypowych. W przypadku kondensatorów ceramicznych można spotkać także wartości 2,5 mm, 5 mm i 5,08 mm.
Czy pojemność kondensatorów ceramicznych zmienia się z czasem?
Tak, kondensatory ceramiczne mogą z czasem tracić część swojej pojemności, szczególnie jeśli zastosowano w nich dielektryk o wysokiej stałej elektrycznej. Jednym ze sposobów ograniczenia tego zjawiska jest podgrzanie kondensatora powyżej temperatury Curie, która wynosi około 125°C - na przykład podczas procesu lutowania. Po schłodzeniu kondensator odzyskuje pierwotną pojemność, a proces starzenia rozpoczyna się na nowo.
Czy można zastosować wyższe napięcie niż znamionowe?
Nie należy przekraczać napięcia znamionowego określonego w specyfikacji kondensatora. Dotyczy to również napięcia zmiennego lub impulsowego nałożonego na napięcie stałe. Zastosowanie zbyt wysokiego napięcia może doprowadzić do przebicia dielektryka i w konsekwencji do zwarcia. Czas do wystąpienia przebicia zależy od wartości przyłożonego napięcia oraz temperatury otoczenia.