thumb|Miniaturowe kondensatory niskonapięciowe (przy linijce) thumb|Kondensator o zmiennej pojemności, stosowany w starych odbiornikach radiowych
Kondensator – element elektroniczny bierny zbudowany z dwóch przewodników – inaczej okładek lub elektrod – rozdzielonych dielektrykiem; przechowuje on energię w postaci pola elektrycznego.
Kondensatory wynaleziono w XVIII wiekuDokonali tego niezależnie od siebie Ewald Georg von Kleist w Kamieniu Pomorskim (1745) i Pieter van Musschenbroek w Lejdzie (1746).; pierwszymi urządzeniami tego typu były butelki lejdejskie. Od tego czasu konstruowano kondensatory o coraz większej pojemności i coraz mniejszych gabarytach. Są one nie tylko narzędziem do gromadzenia ładunku i energii, ale też elementami obwodów rezonansowych i filtrów.
Opis teoretyczny mały|Pole elektryczne naładowanego kondensatora płaskiego o skończonych rozmiarach Doprowadzenie napięcia do okładek kondensatora powoduje zgromadzenie się na nich ładunku elektrycznego. Po odłączeniu od źródła napięcia, ładunki utrzymują się na okładkach siłami przyciągania elektrostatycznego. Jeżeli kondensator, jako całość, nie jest naelektryzowany, to cały ładunek zgromadzony na obu okładkach jest jednakowy co do wartości, ale przeciwnego znaku. Kondensator charakteryzuje pojemność określająca zdolność kondensatora do gromadzenia ładunku:
gdzie: – pojemność (w faradach), – ładunek zgromadzony na jednej okładce (w kulombach), – napięcie elektryczne między okładkami (w woltach).
Pojemność wyrażana jest w faradach. Jeden farad to bardzo duża jednostka (w całych faradach wyraża się pojemność superkondensatorów), dlatego w praktyce spotyka się kondensatory o pojemnościach piko-, nano-, mikro- i milifaradówDawniej stosowaną jednostką pojemności elektrycznej był centymetr (cm); 1 cm = 1,11 pF.. Odwrotnością pojemności elektrycznej jest elastancja wyrażana w darafach (nie jest to jednostka układu SI).
Ogólnie, napięcie i prąd kondensatora w chwili związane są zależnością:
Pracę jaką trzeba wykonać, by przenieść niewielki ładunek z jednej okładki kondensatora, o pojemności na drugą, przy założeniu, że jedna z okładek jest naładowana ładunkiem
Energię zmagazynowaną w kondensatorze oblicza się przez scałkowanie powyższego wzoru, uzyskując:
przy czym jest ładunkiem, do którego naładowano kondensator.
Prąd elektryczny to zmiana ładunku w czasie, co można zapisać:
Kondensator podłączony do napięcia stałego, po pewnym czasie naładuje się do tego napięcia Kondensator jest wówczas równoważny przerwie w obwodzie Dla prądu przemiennego przez kondensator płynie prąd określony wzorem:
Wielkość, wiążąca prąd i napięcie na kondensatorze, nazywa się reaktancją, która jest tym mniejsza, im większa jest pojemność kondensatora i częstotliwość prądu. Kondensator charakteryzuje się tym, że (dla sygnałów sinusoidalnych) napięcie jest opóźnione w fazie względem prądu o kąt (inaczej: prąd wyprzedza napięcie o kąt ). Z tego względu impedancja kondensatora jest liczbą zespoloną i opisana jest wzorem:
gdzie: – pulsacja, – częstotliwość (w hercach), – jednostka urojona.
Reaktancja pojemnościowa wyraża się wzorem:
przy czym ujemny znak jest kwestią konwencjiW niektórych podręcznikach stosuje się inną konwencję, w której zarówno reaktancje kondensatorów, jak i cewek mają dodatnie znaki, zaś reaktancja ich połączenia szeregowego jest różnicą tych wartości..
Symbole kondensatorów Na schematach układów elektrycznych i elektronicznych kondensatory oznacza się następującymi symbolami: symbol ogólny, oraz kondensator niespolaryzowany stały Plik:Capacitor Symbol alternative.svg kondensator spolaryzowany (elektrolityczny) Plik:Polarized capacitor symbol.svg Plik:Polarized capacitor symbol 2.svg Plik:Polarized capacitor symbol 3.svg Plik:Polarized capacitor symbol 4.svg Kondensator zmienny, kondensator nastawny, trymer Plik:Variable capacitor symbol 2.svg Kondensator dostrojczy, trymer Symbol11.gif
Łączenie kondensatorów Podobnie jak rezystory i cewki, także kondensatory można łączyć w celu uzyskania pożądanej pojemności.
Połączenie szeregowe thumb|Kondensatory połączone szeregowo W połączeniu szeregowym, odwrotnie niż w przypadku oporników, pojemność zastępcza dana jest wzorem:
Dla dwóch kondensatorów wzór powyższy upraszcza się do postaci:
Połączenie równoległe thumb|Kondensatory połączone równolegle W przypadku połączenia równoległego kondensatorów pojemność zastępcza wyraża się zależnością:
Taka zależność wynika z faktu, że ładunek elektryczny równolegle połączonych kondensatorów jest sumą ładunków zgromadzonych na kondensatorach.
Zależność pojemności od kształtu i rozmiaru W poniższych wzorach jest przenikalnością elektryczną próżni, zaś – względną przenikalnością elektryczną ośrodka, z którego wykonano dzielący okładki izolator.
Pojemność kondensatora płaskiego
gdzie: – powierzchnia jednej okładki kondensatora, – odległość między okładkami.
Pojemność kondensatora walcowego
gdzie: – długość okładek kondensatora walcowego, – promień wewnętrznej okładki kondensatora, – promień zewnętrznej okładki kondensatora.
Pojemność kondensatora kulistego
gdzie: – promień wewnętrznej okładki kondensatora, – promień zewnętrznej okładki kondensatora.
Straty energii thumb|Schemat zastępczy kondensatora stratnego
Upływność Rzeczywiste kondensatory nie są w stanie utrzymać ładunku dowolnie długo. Rzeczywisty kondensator (kondensator stratny) przedstawia się jako układ idealnego kondensatora z przyłączoną do niego równolegle rezystancją o dużej wartości. Zjawisko strat energii, spowodowane niedoskonałościami konstrukcji kondensatora i właściwościami użytego materiału dielektryka, nazywa się upływnością kondensatora. Upływność wyraża się za pomocą tzw. tangensa kąta strat definiowanego jako stosunek prądów gałęziowych w układzie zastępczym kondensatora: płynącego przez opornik do płynącego przez kondensator Tangens strat jest tym samym ułamkiem energii rozpraszanej w rzeczywistym kondensatorze.
Dla idealnego, bezstratnego kondensatora kąt upływności i jego tangens wynoszą 0.
Rezystancja szeregowa Idealny kondensator ma zerowy opór doprowadzeń i okładek, w związku z czym przepływowi prądu towarzyszącemu zmianom napięcia (przeładowywaniu kondensatora) nie towarzyszą straty energii na ciepło Joule’a. W rzeczywistym kondensatorze zarówno doprowadzenia elektryczne, jak i okładki charakteryzują się pewnym oporem; na schemacie zastępczym rzeczywistego kondensatora ten dodatkowy opór połączony jest szeregowo z kondensatorem idealnym. W odróżnieniu od strat energii powodowanych upływnością, straty związane z oporem szeregowym mają znaczenie jedynie podczas ładowania lub rozładowywania kondensatora, a zatem przy przepływie prądu między kondensatorem a układami zewnętrznymi.
Opór szeregowy ma szczególnie duże znaczenie w przypadku kondensatorów, z których okresowo pobierany jest duży prąd (np. kondensatorów przeciwzakłóceniowych lub zasilających lampy wyładowcze).
Promieniowanie Przy wysokich częstotliwościach pracy część energii doprowadzanej i pobieranej z kondensatora jest rozpraszana w postaci promieniowania elektromagnetycznego.
Histereza ferroelektryczna W kondensatorach, w których rolę dielektryka pełni materiał ferroelektryczny, dodatkowym źródłem strat jest ciepło wytwarzane w samym dielektryku wskutek oporów związanych z przeorientowaniem się domen ferroelektryku. Jest to zjawisko podobne do strat energii w rdzeniu transformatora lub cewki następujących w związku z reorientacją domen ferromagnetycznych.
Rodzaje konstrukcji kondensatorów Ze względu na różną konstrukcję, kondensatory można podzielić na:
Kondensatory elektrolityczne
Dielektrykiem jest cienka warstwa tlenku metalu, osadzona elektrochemicznie na okładce dodatniej z tego samego metalu. Drugą okładkę stanowi ciekły lub suchy elektrolit. Materiałem tworzącym metaliczną elektrodę kondensatora elektrolitycznego może być m.in. aluminium oraz tantal. Tradycyjnie, w żargonie technicznym, kondensatorami elektrolitycznymi nazywa się kondensatory aluminiowe z ciekłym elektrolitem; w rzeczywistości, kondensatorami elektrolitycznymi są również kondensatory tantalowe z elektrolitem stałym (a także, rzadziej spotykane, z elektrolitem ciekłym). Prawie wszystkie kondensatory elektrolityczne mają ustaloną polaryzację, zatem mogą pracować tylko przy określonym znaku napięcia. W przypadku odwrócenia polaryzacji może nastąpić reakcja elektrochemiczna prowadząca do zniszczenia kondensatora; wydzielający się w jej wyniku gaz może doprowadzić do eksplozji jego obudowy.
Do kondensatorów elektrolitycznych zalicza się również tzw. superkondensatory o pojemnościach rzędu wielu tysięcy faradów.
Kondensatory elektrolityczne aluminiowe Jako elektrody dodatniej używa się aluminium. Dielektryk stanowi cienka warstwa trójtlenku dwuglinu (Al2O3). Właściwości: pracują poprawnie tylko dla małych częstotliwości, buduje się je tylko dla dużych pojemności, charakteryzują się wysokim stosunkiem pojemności do rozmiaru: kondensatory elektrolityczne mają na ogół duże rozmiary, lecz kondensatory innego typu o tej samej pojemności i napięciu przebicia byłyby znacznie większe, charakteryzują się wysokimi prądami upływu, mają umiarkowanie niską rezystancję szeregową i małą indukcyjność szeregową.
Kondensatory tantalowe Są to kondensatory elektrolityczne w których elektroda metaliczna wykonana jest z tantalu, zaś warstwę dielektryczną tworzy pięciotlenek tantalu (Ta2O5). Właściwości: wysoka odporność na warunki zewnętrzne, niewielkie rozmiary: dla pojemności mniejszych od kilkuset μF porównywalne lub mniejsze od kondensatorów aluminiowych o tym samym maksymalnym napięciu przebicia, mniejszy niż w przypadku mokrych kondensatorów aluminiowych prąd upływu.
Kondensatory foliowe Dielektrykiem jest folia z tworzywa sztucznego np. poliestrowa (kondensatory oznaczane jako KT i MKT), polipropylenowa (KP, MKP) lub poliwęglanowa (KC, MKC). Elektrody mogą być napylone na tę folię (MKT, MKP, MKC) lub wykonane w postaci osobnej folii metalowej, zwijanej lub prasowanej wspólnie z folią dielektryka (KT, KP, KC). Dawniej wykonywano również kondensatory z polistyrenu, nazywanego również styrofleksem (obecnie używa się ich tylko w specjalistycznych zastosowaniach). Nowoczesnym materiałem na folie kondensatorów jest siarczek polifenylu (PPS). Właściwości ogólne kondesatorów foliowych (wspólne dla wszystkich rodzajów izolatora): pracują poprawnie przy dużym prądzie, mają dużą wytrzymałość napięciową, mają relatywnie małą pojemność, znikomy prąd upływu, używane w obwodach rezonansowych i układach typu snubber„Snubbery”, nazywane także gasikami, to wyspecjalizowane układy RC montowane we wspólnej obudowie, przeznaczone do tłumienia tzw. szpilek, czyli skoków napięcia na stykach lub kluczach (tranzystorach, triakach) sterujących obciążeniem o charakterze indukcyjnym..
Poszczególne rodzaje folii różnią się właściwościami temperaturowymi (łącznie ze znakiem współczynnika temperaturowego pojemności, który jest ujemny dla polipropylenu i polistyrenu oraz dodatni dla poliestru i poliwęglanu), maksymalną temperaturą pracy (od 125 °C dla poliestru i poliwęglanu do 100 °C dla polipropylenu i 70 °C dla polistyrenu), odpornością na przebicie elektryczne (a zatem maksymalnym napięciem, jakie można przyłożyć do określonej grubości folii bez jej przebicia).
Kondensatory ceramiczne thumb|Kondensatory ceramiczne