Patrząc na listę elementów (tzw. BOM – Bill Of Materials) dowolnego urządzenia elektronicznego nietrudno zauważyć, że na pierwszym lub drugim miejscu pod względem liczebności niemal zawsze występują kondensatory. Choć ich podstawowa zasada działania zawsze jest dokładnie taka sama, to – w zależności od wymaganych parametrów technicznych – poszczególne komponenty mogą mieć diametralnie inną konstrukcję i rozmiary. Aby poprawnie stosować rozmaite rodzaje kondensatorów, trzeba jednak najpierw ugruntować swoją wiedzę teoretyczną na temat zasady ich działania.
Na początek co nieco o zbiornikach...
U podstaw działania kondensatorów leży parametr określany mianem pojemności elektrycznej. Jak nietrudno się domyślić, jest ona miarą zdolności danego elementu (czy też – mówiąc nieco ogólniej – obiektu) do gromadzenia ładunków elektrycznych. Możemy tutaj zastosować pewną użyteczną analogię – wyobraźmy sobie zbiornik z wodą. Im większą ma on objętość (a więc pojemność), tym więcej cieczy może w sobie pomieścić, a czas napełniania będzie zależał nie tylko od pojemności, ale także od szybkości przepływu wody – czym większy strumień, tym napełnianie będzie przebiegało szybciej. Co więcej – wraz z podnoszeniem się strumienia wody, będzie rosło ciśnienie na dnie zbiornika, a także energia potencjalna, zgromadzona w reprezentowanej przez ciecz masie. Jeżeli zatem w pewnym momencie odkręcimy zawór w dolnej części zbiornika, a wypływającą przezeń ciecz wykorzystamy np. do napędzania turbiny, to większa pojemność spowoduje wydłużenie czasu, w którym owa turbina będzie skutecznie napędzana. Wyobraźmy sobie jeszcze nieco bardziej złożoną sytuację – jeżeli woda uzupełniająca poziom zbiornika będzie dopływała zmiennym w czasie strumieniem (np. ktoś będzie dolewał ją za pomocą niewielkiego wiadra), to, czym większy zbiornik, tym lepiej stłumi te wahania – turbina będzie zatem obracała się w przybliżeniu ze stałą prędkością.
Kondensatory – zasada działania
Co ciekawe, wszystkie zjawiska opisane w powyższej części artykułu możemy dość łatwo odnieść do kondensatorów. W dużym uproszczeniu można przyjąć, że kondensator składa się z dwóch płaskich, równoległych płyt metalowych, umieszczonych w pewnej niewielkiej odległości od siebie i przedzielonych izolatorem – może nim być powietrze albo ciało stałe (dielektryk), np. folia, cienka warstwa tlenku czy też specjalna ceramika. Podłączenie do tych płyt (zwanych okładkami) napięcia stałego powoduje odpływ ładunków (elektronów) do dodatniego bieguna źródła napięcia, zaś do okładki połączonej z ujemnym biegunem źródła „dodatkowe” elektrony dopłyną. Taka zmiana stanu rzeczy powoduje, że pomiędzy okładkami powstaje pole elektryczne (w przybliżeniu jednorodne), zaś im napięcie jest wyższe, tym silniejsze będzie także wspomniane pole. Jak wiadomo, obecność pola elektrycznego wiąże się z gromadzeniem energii potencjalnej (nieco podobnie, jak miało to miejsce w przypadku pola grawitacyjnego i wody zgromadzonej w naszym zbiorniku). Co więcej, im większy będzie strumień elektronów podczas ładowania kondensatora (czyli po prostu – prąd ładowania), tym więcej ładunku zgromadzi w sobie nasz element, a ten sam efekt można uzyskać, ładując kondensator szybko prądem o dużej wartości, bądź też powoli, ale małym prądem. Jeżeli kondensator jest wykorzystywany w roli „tymczasowego” źródła energii, to im większa jest jego pojemność oraz panujące na nim napięcie, tym więcej owej energii będzie on w stanie zgromadzić. Mocno upraszczając całe zagadnienie, można stwierdzić, że duży kondensator może np. przez pewien czas (np. kilka-, kilkanaście sekund) zasilać odbiornik o niewielkiej mocy (np. diodę LED, oczywiście z szeregowym rezystorem ograniczającym natężenie prądu), podczas gdy energia zmagazynowana w malutkim kondensatorze może wystarczyć zaledwie na króciutki ułamek sekundy. Kolejną analogię „wodną” także możemy przenieść na grunt elektroniki – zastosowanie kondensatora o odpowiednio dużej pojemności w obwodzie o niestabilnym (np. tętniącym) napięciu zasilania znacząco je „wygładza”, co ma ogromne znaczenie dla wszystkich układów analogowych i cyfrowych.
Podstawowe parametry kondensatorów
Pojemność elektryczna jest zdecydowanie najważniejszym parametrem każdego kondensatora, wyrażanym w faradach [F]. Ponieważ pojemność 1 F jest naprawdę spora, zwykle w praktyce korzystamy z przedrostków: 1 μF (mikrofarad) = 0.000001 F, 1 nF (nanofarad) = 0.001 μF, zaś 1 pF (pikofarad) = 0.001 nF. Drugim podstawowym parametrem kondensatorów, zawsze określanym przez producenta i zapisywanym (o ile to możliwe z uwagi na wymiary) na obudowie elementów, jest napięcie maksymalne [V]. Określa ono największą różnicę potencjałów pomiędzy okładkami kondensatora, która nie spowoduje jeszcze jego uszkodzenia (czyli przebicia dielektryka). Podobnie jak w przypadku rezystorów, także kondensatory mają swoją tolerancję [%], określającą graniczną odchyłkę pojemności rzeczywistej danego elementu względem wartości nominalnej. W przypadku niektórych kondensatorów (tzw. elektrolitycznych) bardzo ważnym parametrem jest też zastępcza rezystancja szeregowa (ESR), wyrażana w omach [Ω] i określająca opór elektryczny, jaki stawia przepływowi prądu do/z kondensatora (lub – mówiąc ogólniej – przez kondensator) jego konstrukcja. ESR powinna mieć możliwie małą wartość w przypadku kondensatorów stosowanych w układach zasilających (np. przetwornicach impulsowych DC/DC), co umożliwia poprawne pełnienie przez nie funkcji filtracji i odsprzęgania napięcia zasilania (czyli – w dużym uproszczeniu – tłumienia wspomnianych wcześniej wahań).
