W związku z tym dokonując nieprawidłowego wyboru w tym zakresie, można w najlepszym razie przewymiarować projekt, a w najgorszym przypadku urządzenie może działać nieprawidłowo lub kondensatory mogą ulec uszkodzeniu czy przedwczesnemu zużyciu. Błędna decyzja może zatem wpłynąć na bezpieczeństwo oraz żywotność urządzenia. W artykule wyjaśniamy to na przykładzie kondensatorów foliowych, które zostaną porównane z elektrolitycznymi. Na wstępie charakteryzujemy najpopularniejsze konstrukcje kondensatorów foliowych.
Kondensatory foliowe – przegląd konstrukcji
Kondensatory foliowe są zbudowane z dwóch elektrod, między którymi znajduje się materiał dielektryczny. Generalnie, ze względu na rodzaj elektrody, można wyróżnić dwa ich typy: z metalizacją albo z folią. W pierwszych bardzo cienka elektroda jest nanoszona na materiał dielektryczny. Metalizowane elektrody mają grubość typowo od około 10 do 50 nm. W kondensatorach drugiego typu elektrody foliowe mają natomiast typowo grubość od około 5 do 10 μm.
Wyróżnikiem kondensatorów w wykonaniu z metalizacją jest zdolność do samonaprawiania się. Oznacza to, że mogą się samoczynnie zregenerować w razie uszkodzenia.
Ze względu na grubsze elektrody kondensatory z metalową folią mogą pracować przy prądach o większym natężeniu niż kondensatory z elektrodami metalizowanymi. Z drugiej jednak strony wpływa to na ich rozmiar. Poza tym nie mają zdolności do samonaprawy.
Na czym polega samonaprawa?
W przykładowym wykonaniu konstrukcji z metalizowaną elektrodą metal, zwykle aluminium albo czasami cynk lub stop cynku, o temperaturze przekraczającej typowo +1000°C, jest osadzany na tworzywie sztucznym, przeważnie folii polipropylenowej w warunkach próżni, w bardzo niskiej temperaturze, zazwyczaj od –25 do –35°C. Całość jest zwijana i umieszczana w obudowie z tworzywa sztucznego.
W czasie użytkowania miejscowe uszkodzenie powoduje intensywne nagrzewanie się, nawet do temperatury rzędu kilku tysięcy stopni Celsjusza. To powoduje powstawanie łuku plazmowego.
W rezultacie metalizacja ulega lokalnemu odparowaniu. Szybkie rozszerzenie plazmy gasi łuk, izolując wadliwy obszar. Następuje to bardzo szybko, typowo w czasie rzędu mikrosekund, umożliwiając kondensatorowi dalsze działanie.
Na skutek tego zjawiska zmniejsza się pojemność. Efekt ten jest jednak minimalny. Co więcej, zmienność w czasie tego parametru kondensatora, o ile jest monitorowana, może być miarą starzenia się komponentu.
Konstrukcje specjalne
Warto dodać, że metalizacja jest czasami dzielona na obszary, które w uproszczeniu działają tak jak bezpieczniki dla dużych przeciążeń. Podział na segmenty wpływa na obniżenie prądu szczytowego, ale równocześnie wprowadza dodatkowy margines bezpieczeństwa, umożliwiając w konsekwencji pracę przy wyższym napięciu. W niektórych wykonaniach wprowadza się połączenie metalizacji oraz folii, w celu skorzystania z zalet, a zarazem ominięcia ograniczeń obydwu konstrukcji. Podobny kompromis zapewnia stopniowanie grubości metalizacji.
Kondensatory foliowe kontra elektrolityczne
Kondensatory foliowe mają kilka zalet w porównaniu na przykład do aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych. Mogą mieć m.in. znacznie niższą rezystancję ESR przy analogicznej wartości współczynnika CV. Dzięki temu przeważnie kondensatory foliowe charakteryzuje odporność na większe prądy tętnień.
Oprócz tego kondensatory tego typu są wytrzymalsze na przepięcia i co ważniejsze, mają zdolność do samonaprawy, o czym pisaliśmy wcześniej. Ta właściwość tego typu podzespołów pozytywnie przekłada się na niezawodność oraz żywotność urządzenia, którego są częścią.
Typowo aluminiowe kondensatory elektrolityczne mogą wytrzymać przepięcia rzędu 20%. Tymczasem w przypadku kondensatorów foliowych wytrzymałość na ten typ zaburzeń może sięgać nawet 100% przez ograniczony czas.
Niezawodność w teorii i w praktyce
Kolejna różnica to sposób, w jaki kondensatory obu rodzajów ulegają awariom. W przypadku kondensatorów elektrolitycznych bywają one bardzo "widowiskowe" – elementy te czasem wybuchają, i niszczycielskie – wyciek może bowiem spowodować uszkodzenie pozostałych komponentów w sąsiedztwie wadliwego kondensatora.
Wprawdzie teoretyczne wskaźniki niezawodności aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych oraz kondensatorów foliowych mogą być porównywalne w przypadku pracy poniżej parametrów znamionowych, w rzeczywistych warunkach jednak, w razie występowania od czasu do czasu przepięć, spowodowanych na przykład obecnością obciążeń indukcyjnych czy zaburzeniami od wyładowań atmosferycznych, typ kondensatora może mieć znaczący wpływ na ostateczną niezawodność urządzenia.
Montaż i polaryzacja
Warto tutaj wspomnieć, że minusem kondensatorów foliowych jest ich degradacja pod wpływem wilgoci. Nie jest to jednak przeważnie duży problem, ponieważ pod tym względem nie różnią się od wielu innych podzespołów elektronicznych. Przez to i tak zazwyczaj podejmuje się różne kroki, żeby urządzenia elektroniczne przed tym niekorzystnym czynnikiem zabezpieczyć.
W praktyce ważną różnicą pomiędzy kondensatorami foliowymi i kondensatorami elektrolitycznymi jest sposób montażu. Te pierwsze typowo są dostępne w objętościowo zoptymalizowanych prostokątnych obudowach z różnego typu wyprowadzeniami. W przypadku kondensatorów elektrolitycznych zaś osłonę przeważnie stanowi okrągła metalowa obudowa.
Ten nietypowy kształt trzeba uwzględnić, planując rozmieszczenie komponentów na PCB, aby jak najefektywniej wykorzystać dostępne miejsce. Kolejny aspekt praktyczny to fakt, że inaczej niż kondensatory z elektrolitem kondensatory foliowe mogą pracować przy dowolnej polaryzacji.
Monika Jaworowska
źródła zdjęć: TDK Electronics
