Kondensatory, wraz z rezystorami i cewkami, są klasyfikowane jako "proste" elementy elektroniczne. Ich konstrukcja, niezmieniona od wieków, wywodzi się z 1743 roku, kiedy to niemieccy i holenderscy naukowcy niezależnie stworzyli "butelkę lejdejską" — pierwszy kondensator, będący naczyniem wypełnionym wodą z zanurzonymi metalowymi płytkami służącymi do magazynowania energii elektrycznej.
Obecnie, zastosowania kondensatorów są wszechstronne. W obwodach elektronicznych blokują one prąd stały, jednocześnie przepuszczając prąd zmienny. Wykorzystuje się je także w analogowych sieciach filtracyjnych do wygładzania wyjścia zasilaczy, w obwodach rezonansowych do dostrajania częstotliwości oraz w systemach przesyłu energii do stabilizacji napięcia i przepływu mocy.
Kondensatory z folią jako dielektrykiem należą do najczęściej stosowanych pasywnych elementów elektrycznych, zaraz po rezystorach. Dowiedz się więcej o budowie kondensatorów foliowych, ich typach oraz kluczowych kryteriach wyboru i wymiany.
Foliowe kondensatory to urządzenia magazynujące ładunek elektryczny, wykorzystujące izolującą folię plastikową jako dielektryk. W procesie produkcji, w celu osiągnięcia odpowiedniej wytrzymałości na przebicie, folie są rozciągane do ekstremalnie cienkich warstw i wyposażane w elektrody. Te zwykle są wykonane z aluminium, które może być naniesione bezpośrednio na powierzchnię folii lub użyte jako osobna, bardzo cienka warstwa metalowa.
Pojemność kondensatora jest zależna od powierzchni elektrod, dlatego w kondensatorach foliowych plastikowa folia pokryta przewodnikiem jest nawijana w liczne warstwy (wersja cylindryczna) lub układana warstwami (wersja prostokątna).
W odróżnieniu od kondensatorów elektrolitycznych czy tantalowych, kondensatory foliowe nie wymagają uwzględnienia polaryzacji – obie elektrody mogą pełnić rolę zarówno katody, jak i anody. Dzięki temu są one szczególnie przydatne w obwodach prądu zmiennego, gdzie kierunek przepływu prądu ulega zmianom.
Najważniejsze cechy konstrukcyjne
Ze względu na sposób wykonania kondensatory foliowe dzieli się na trzy podstawowe typy, które w istotny sposób wpływają na ich gabaryty oraz odporność na obciążenia impulsowe. Są to kondensatory z folią metalizowaną jednostronnie, z folią metalizowaną obustronnie oraz kondensatory, w których zastosowano oddzielny film metalowy zamiast warstwy metalu napylanej na folię.
W przypadku folii metalizowanej jednostronnie jedna warstwa pełni jednocześnie funkcję dielektryka i przewodnika. Dzięki ciasnemu zwijaniu lub ścisłemu układaniu warstw uzyskuje się charakterystyczne dla kondensatorów przeplatanie dielektryka i przewodnika na bardzo małej przestrzeni. Tego typu kondensatory foliowe znajdują zastosowanie w układach, w których występują jedynie niewielkie impulsy prądowe.
Kondensatory z folią metalizowaną obustronnie zawierają dodatkową warstwę folii izolacyjnej pomiędzy poszczególnymi powierzchniami elektrod. Choć zwiększa to odległość między warstwami przewodzącymi, a tym samym całkowitą objętość elementu, rozwiązanie to znacząco poprawia odporność na wysokie impulsy prądowe.
Największą wytrzymałość impulsową zapewniają kondensatory wykorzystujące oddzielny film metalowy zamiast cienkiej, napylanej warstwy metalu. Grubsza elektroda sprawia, że kondensatory metalowo-foliowe są w dużym stopniu odporne na prądy szczytowe oraz charakteryzują się wysoką wytrzymałością napięciową.
Kondensatory foliowe – w szczególności te z napylonym metalem – posiadają tzw. zdolność samoregeneracji. Oznacza ona, że element potrafi wytrzymać przebicia elektryczne lub zwarcia bez trwałego uszkodzenia. W miejscu przebicia elektroda ulega odparowaniu, pozostawiając na dielektryku odsłonięty, a tym samym nieprzewodzący obszar. Dzięki temu kondensator zachowuje funkcjonalność. Test samoregeneracji jest obecnie standardowym etapem kontroli jakości w procesie produkcji kondensatorów foliowych.
Aby ułatwić szybkie rozróżnianie poszczególnych typów kondensatorów foliowych, większość producentów stosuje skrótowe oznaczenia. Dwie pierwsze litery określają konstrukcję elementu, natomiast ostatnia litera wskazuje rodzaj użytej folii. Symbol MK oznacza kondensatory z elektrodą napylaną, natomiast FK odnosi się do rozwiązań opartych na połączeniu dielektryku foliowego z metalową folią. Poniżej przedstawiono zestawienie najczęściej spotykanych oznaczeń.
MKP: metalizowana folia polipropylenowa
MKT: metalizowana folia poliestrowa
MKS: metalizowana folia polistyrenowa
FKP: połączenie folii polipropylenowej i warstwy metalicznej
FKT: połączenie folii poliestrowej i warstwy metalicznej
- FKS: połączenie folii polistyrenowej i warstwy metalicznej
Istotną zaletą konstrukcji wewnętrznej nowoczesnych kondensatorów foliowych jest bezpośredni kontakt elektrod z obu stron nawiniętej folii. Takie rozwiązanie znacząco skraca drogi przepływu prądu. Geometria wewnętrzna kondensatora foliowego zapewnia bardzo niskie straty rezystancyjne oraz minimalną indukcyjność pasożytniczą. Dzięki tym właściwościom wybrane typy kondensatorów, określane jako snubbery, doskonale sprawdzają się w aplikacjach z bardzo dużymi prądami udarowymi, w obwodach prądu przemiennego oraz w układach pracujących przy wyższych częstotliwościach.
Najważniejszym kryterium wyboru kondensatora foliowego jest jego przeznaczenie. W typowych zastosowaniach w zupełności sprawdzają się kondensatory typu MK, pełniące funkcję magazynów ładunku. Są kompaktowe, ekonomiczne, charakteryzują się wysoką stabilnością długoterminową i odpornością na wilgoć. Istotną zaletą jest również zdolność do samoregeneracji w przypadku przebicia lub zwarcia.
Jeżeli jednak w danym układzie występują wysokie prądy impulsowe, lepszym rozwiązaniem będą kondensatory typu FK. Stosuje się je m.in. w zasilaczach impulsowych, falownikach oraz w rozwiązaniach z zakresu energetyki. Większe kondensatory foliowe tej grupy pełnią funkcję kondensatorów mocy w elektrowniach i instalacjach przemysłowych. Są przystosowane do pracy przy bardzo dużych obciążeniach oraz wysokich napięciach, sięgających nawet wartości czterocyfrowych.
Zarówno w nowych projektach, jak i podczas prac serwisowych czy naprawczych, znaczenie mają podstawowe parametry elektryczne kondensatorów foliowych. Należą do nich pojemność, dopuszczalne napięcie pracy oraz tolerancja. W przypadku kondensatorów MK zakres pojemności wynosi od 1000 pikofaradów do 1100 mikrofaradów, natomiast dla wersji FK od 47 pikofaradów do 2,2 mikrofarada. Oba typy rozpoczynają zakres napięć od 63 V DC, przy czym maksymalne wartości sięgają odpowiednio 3000 V dla MK oraz 6000 V dla FK. Warto pamiętać, że tylko wybrane odmiany kondensatorów MK nadają się do pracy z prądem przemiennym, podczas gdy kondensatory FK są przeznaczone wyłącznie do prądu stałego.
Nie należy również pomijać kwestii tolerancji parametrów elektrycznych. Im jest ona mniejsza, tym bardziej przewidywalna i stabilna staje się praca elementu, co ma szczególne znaczenie przy wymianie podzespołów. W kondensatorach typu FK tolerancja może wynosić nawet 2,5%, natomiast w przypadku kondensatorów MK najczęściej zaczyna się od 5%. Dla obu konstrukcji maksymalna tolerancja sięga 20%.
FAQ – najczęściej zadawane pytania
Jak wykonane są wyprowadzenia kondensatorów foliowych?
Stosowane dawniej wyprowadzenia osiowe, czyli przewody umieszczone po obu stronach elementu, są dziś spotykane coraz rzadziej, ponieważ zajmują więcej miejsca na płytce drukowanej. Współczesne kondensatory foliowe najczęściej mają wyprowadzenia radialne, zlokalizowane po jednej stronie obudowy. Część modeli wyposażono w konektory płaskie lub fabrycznie przygotowane przewody przyłączeniowe. W segmencie kondensatorów o wysokiej mocy dostępne są również wersje z gwintami montażowymi w obudowach z tworzywa sztucznego lub aluminium. Kondensatory foliowe w wykonaniu SMD, dzięki kompaktowym rozmiarom, produkowane są z tworzyw odpornych na wysoką temperaturę i zawsze mają prostokątną formę.
Jakie temperatury pracy wytrzymują kondensatory foliowe?
Kondensatory typu MK mogą pracować w temperaturach do 110 °C, natomiast w przypadku typów FK maksymalna dopuszczalna temperatura wynosi 100 °C.