Для чего нужен конденсатор: принцип работы в электрической цепи

Содержание
  1. История
  2. Принцип работы конденсаторов
  3. Из чего состоит конденсатор
  4. Пакетная система
  5. Трубчатая система
  6. Дисковая система
  7. Литая секционированная система
  8. Рулонная конструкция
  9. Свойства
  10. Где применяются конденсаторы
  11. Поведение конденсатора в цепях постоянного и переменного микротока
  12. Виды и классификация конденсаторов
  13. Электролитические конденсаторы
  14. Пленочные и металлопленочные конденсаторы
  15. Керамические конденсаторы
  16. Бумажные и металлобумажные конденсаторы
  17. Алюминиевые электролитические
  18. Полимерные
  19. Неполярные конденсаторы
  20. Конденсаторы переменной емкости
  21. Пленочные конденсаторы
  22. Керамические конденсаторы
  23. SMD конденсаторы
  24. Полярные конденсаторы
  25. Электролитические конденсаторы
  26. Танталовые конденсаторы
  27. Ионисторы
  28. В чем отличие полярного и неполярного?
  29. Основные данные и характеристики
  30. Емкость
  31. Электрические заряды
  32. Что такое емкость
  33. От чего зависит ёмкость?
  34. Удельная емкость
  35. Плотность энергии
  36. Номинальное напряжение
  37. Полярность
  38. Маркировка конденсаторов
  39. Паразитные параметры конденсаторов
  40. Обозначение конденсаторов на схеме
  41. Конденсатор в цепи постоянного тока
  42. Конденсатор в цепи переменного тока
  43. Зависимость сопротивления от частоты и смещения фаз
  44. Зависимость сопротивления от номинала конденсатора
  45. Формула сопротивления конденсатора
  46. Особенности соединения нескольких конденсаторов в цепи
  47. Последовательное
  48. Параллельное
  49. Как проверить работоспособность конденсатора
  50. Проверка полярного конденсатора
  51. Проверка неполярного конденсатора
  52. Как зарядить и разрядить конденсатор

История

Прототип современного конденсатора был придуман в 1745 году одновременно двумя учеными: голландским физиком Питером ван Мушенбруком и немецким лютеранским священнослужителем Эвальдом Юргеном фон Клейстом. Первый назвал свое изобретение лейденской банкой, второй — медицинской банкой. Сходство в названиях было не случайным: устройство, как немецкое, так и голландское, было в виде стеклянной банки с двумя жестяными обкладками, расположенными на ее внешней и внутренней поверхностях, с вставленной в горлышко диэлектрической пробкой, которая протыкалась металлическим стержнем с цепью. Заряжался такой прибор от очень популярной в те времена электрофорной машины. Заряд, накапливаемый при этом на обкладках, был небольшим, не более 1 мкК.

Изобретенные в 1745 году «банки» практически не изменились в течение следующих 200 лет. Лишь в середине 50-х годов 20 века, в период активного развития производства различных радиодеталей, стали выпускаться первые накопители в виде небольших размеров. В то же время их стали использовать в различных бытовых приборах, электроинструментах, а позже и в компьютерах.

ВАЖНО! Современные радиодетали в виде банок бывают самых разнообразных форм, размеров и характеристик: от самых больших и мощных ионисторов до крошечных накопителей, используемых на печатных платах компьютеров, в контроллерах бытовой техники.

Принцип работы конденсаторов

Когда цепь подключена к источнику электротока, последний начинает течь через конденсатор. В начале прохождения микротока через конденсатор его сила имеет максимальное значение, а вольтаж- минимальный. По мере накопления устройством заряда микроток полностью исчезает, а его сила растет.

В процессе накопления заряда на одной плате накапливаются электроны, а на другой — положительные ионы. Заряд между ними не течет из-за наличия диэлектрика. Таким образом устройство накапливает заряд. Это явление называется накоплением электрических зарядов, а конденсатор — накоплением электрического поля.

Из чего состоит конденсатор

Любой конденсатор состоит из двух или более металлических обкладок, не соприкасающихся друг с другом. Для лучшего понимания того, как все устроено в конденсаторе, представим себе блин, намажем его сгущенным молоком и положим точно такой же блин сверху.

Должно быть выполнено условие: эти два блина не должны касаться друг друга. То есть верхний блин должен быть поверх сгущенки и не касаться нижнего блина. Тут, наверное, все ясно. Вот типичный «блин-конденсатор». Так устроены все конденсаторы, только вместо блинов применяются тонкие металлические обкладки, а вместо сгущенки используется другой диэлектрик. Диэлектрик может быть в виде воздуха, бумаги, электролита, слюды, керамики и др. К каждой металлической плате подключены провода — это выводы конденсатора.

Как видите, из-за диэлектрика конденсатор не может проводить микроток. Но это касается только постоянного тока. Конденсатор пропускает через себя переменный электроток плавно с небольшим сопротивлением, величина которого зависит от периодичности электротока и емкости самого конденсатора.

Пакетная система

Применяется в эмалированных стеклянных, керамических и стеклокерамических конденсаторах. Пакеты состоят из чередующихся слоев обкладок и диэлектрика. Обкладки могут быть изготовлены из фольги или могут быть нанесены слоями на диэлектрические обкладки.

Каждый пакетный конденсатор имеет верхнюю и нижнюю обкладку с контактами на торцах корпуса. Выводы делаются из обкладок ленты и проволоки. Пакет запрессовывается, запаивается, покрывается защитной эмалью.

Трубчатая система

Может иметь высокочастотные конденсаторы. Они представляют собой деталь в виде керамической трубки с толщиной стенки 0,25 мм. На ее внешнюю и внутреннюю стороны методом вжигания наносится токопроводящий слой серебра. Снаружи деталь обрабатывается изолирующим веществом. Внутренняя обкладка подведена к внешнему слою и прикреплена к гибкому выводу.

Дисковая система

Как и трубчатая, используется при изготовлении высокочастотных конденсаторов.

Диэлектрик дисковых конденсаторов бывает в виде керамического диска. На него вжигают серебряные обкладки, к которым крепятся гибкие провода.

Литая секционированная система

Она используется в монолитных многослойных керамических конденсаторах, применяемых в современной технике, в том числе с интегральными схемами. Деталь с 2 пазами изготовлена ​​из литой керамики. Пазы заполняются компонентами серебряной пасты, которая фиксируется методом вживания. Гибкие кабели припаиваются к серебряным вставкам.

Рулонная конструкция

Типична для НЧ бумажно-пленочных конденсаторов с большой емкостью. Бумажная лента и металлическая фольга сворачиваются в рулон. В металлобумажных конденсаторах на бумажную ленту нанесен слой металла толщиной до 1 мкм.

Свойства

Из описания следует, что для постоянного тока конденсатор является непреодолимой преградой, кроме случаев пробоя диэлектрика. В таких электрических схемах используется радиоэлемент для накопления и запасания электричества на его электродах. Изменение вольтажа происходит только в случаях изменения данных электртока в цепи. Эти изменения могут считывать другие элементы схемы и реагировать на них.

В цепях синусоидального тока конденсатор ведет себя в виде индуктора. Он пропускает переменный микроток, но отсекает постоянную составляющую, а значит, может служить отличным фильтром. Такие радиоэлектронные элементы с катушкой нужны в цепях обратной связи, включаются в цепи колебательных контуров и т.д.

Другое свойство заключается в том, что переменная емкость может использоваться для изменения фаз. Существует огромный выбор специальных пусковых конденсаторов (рис. 5), которые применяют для запуска трехфазных электродвигателей в однофазных электрических сетях.

Проводной пусковой конденсатор
Пусковой конденсатор с проводами.

Где применяются конденсаторы

Конденсаторы нужны практически во всех современных устройствах: сабвуферах, электродвигателях, автомобилях, насосах, электроинструментах, кондиционерах, холодильниках, мобильных телефонах и т.д.

По выполняемым полезным функциям они делятся на конденсаторы в виде общего назначения и узкоспециализированные.

Конденсаторы общего назначения бывают в виде низковольтных накопительных устройств, используемых в большинстве типов электрооборудования.

К узкоспециализированным относятся конденсаторы в виде высоковольтных, импульсных, шумоподавляющих дозиметрических и пусковых.

Поведение конденсатора в цепях постоянного и переменного микротока

В цепях постоянного тока заряженный конденсатор образует разрыв, препятствующий его протеканию. Если к обкладкам незаряженной детали приложить силу вольт, электроток потечет. При этом конденсатор зарядится, ток упадет, а сила на обкладках возрастет. Когда достигается равенство на обкладках и источнике питания, он прекращается.

При постоянном вольтаже конденсатор удерживает заряд при включенном питании. После выключения заряд сбрасывается через нагрузки, присутствующие в цепи.

Заряженный конденсатор также не пропускает переменный ток. Но за один период синусоиды батарея дважды заряжается и разряжается, поэтому он имеет возможность протекать через конденсатор в период его разрядки.

Виды и классификация конденсаторов

Конденсаторы разных типов приспособлены к разным условиям эксплуатации, предназначены для выполнения определенных задач и содержат разные побочные эффекты.

Основной характеристикой, по которой классифицируют конденсаторы, является тип диэлектрика. Именно диэлектрический материал определяет многие характеристики конденсатора.

Электролитические конденсаторы

В электролитических конденсаторах анод — металлическая обкладка, диэлектрик — оксидная пленка, катод — твердый, жидкий или гелеобразный электролит. Наличие гелеобразного электролита делает устройство однополярным, то есть ток может течь через него только в одном направлении. Представителями этого семейства являются алюминиевые и танталовые конденсаторы.

Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют емкость от 0,1 до нескольких тысяч микрофарад. Обычно они нужны на звуковых колебаниях. Электрохимическая ячейка плотно упакована, что обеспечивает большую эффективную индуктивность, которая не позволяет использовать алюминиевые накопители на СВЧ.

В танталовых конденсаторах катод сделан из диоксида марганца. Сочетание большой площади поверхности анода и диэлектрических характеристик соединения тантала обеспечивает высокую удельную емкость (емкость на единицу объема или массы диэлектрика). Это означает, что танталовые конденсаторы намного компактнее алюминиевых конденсаторов той же емкости.

У танталовых конденсаторов естьсвои недостатки. Устройства первых поколений грешат сбоями, возможны возгорания. Они могут возникать при подаче слишком большого пускового тока, который изменяет структурное состояние диэлектрика. Дело в том, что окись в виде аморфного состояния является хорошим диэлектриком. При подаче большого пускового тока она переходит из аморфного состояния в кристаллическое и становится проводником. Кристаллическое соединение тантала еще больше увеличивает силу тока, что приводит к воспламенению. Современные танталовые конденсаторы производятся по передовым технологиям и практически не выходят из строя, не вздуваются, не воспламеняются.

Пленочные и металлопленочные конденсаторы

Пленочные конденсаторы включают диэлектрический слой из полимерной пленки, зажатый между слоями металлической фольги.

Такие приборы содержат небольшую емкость, которая измеряется в фарадах (от 100 пФ до нескольких микрофарад), но могут работать до 1000 В.

Существует целое семейство пленочных конденсаторов, но все типы характеризуются малой емкостью и индуктивностью. Из-за малой индуктивности эти устройства эксплуатируются в высокочастотных цепях.

Основные отличия конденсаторов с разными типами пленки:

  • конденсаторы с диэлектриком в виде полипропиленовой пленки применяются в схемах, где предъявляются высокие требования к температурной и частотной стабильности. Они подходят для систем питания, подавления электромагнитных помех;
  • конденсаторы с полиэфирной пленкой в качестве диэлектрика недорогие и могут выдерживать высокие температуры пайки. Стабильность колебаний по сравнению с полипропиленовыми типами ниже;
  • конденсаторы с поликарбонатным диэлектриком и полистиреновой пленкой, использовавшиеся в старых схемах, сегодня уже не актуальны.

Керамические конденсаторы

В керамических конденсаторах в качестве диэлектрика применяются керамические обкладки.

Керамические конденсаторы характеризуются небольшой емкостью — от одного пФ до нескольких десятков микрофарад.

Керамика обладает пьезоэлектрическим эффектом (способностью диэлектрика поляризоваться под действием механических сил), поэтому некоторые типы этих конденсаторов обладают микрофонным эффектом. Это нежелательное явление, когда часть электрической цепи воспринимает вибрации, как микрофон, вызывая помехи.

Бумажные и металлобумажные конденсаторы

Диэлектрик, используемый в этих конденсаторах, представляет собой бумагу, часто промасленную. Устройства с промасленной бумагой часто большие. Модели с непромасленной бумагой более компактны, но есть существенный недостаток — увеличивают потери энергии под воздействием влаги даже в герметичной упаковке. В последнее время эти детали редко эксплуатируются.

Алюминиевые электролитические

В устройствах этого типа анодная обкладка выполнена из алюминиевой фольги. Поверхность покрыта окисью металла, диэлектриком. Катодное покрытие представляет собой твердый или жидкий электролит, который подбирается таким образом, чтобы в процессе эксплуатации восстанавливался оксидный слой на фольге. Самовосстанавливающийся диэлектрик продлевает срок службы элемента.

Такие конденсаторы требуют соблюдения одного направления. При обратном включении разорвет корпус.

Устройства, внутри которых находятся встречно-последовательные направления сборки, нужны в двух направлениях. Емкость алюминиевых электролитических ячеек достигает нескольких тысяч микрофарад.

Что такое конденсатор, виды конденсаторов и их применение

Полимерные

В конденсаторах используется электролит из твердых полимеров, что дает ряд преимуществ:

  • срок службы увеличивается до 50 тысяч часов;
  • характеристики сохраняются при нагреве;
  • расширен диапазон допустимых пульсаций тока;
  • резистор обкладок и выводов не шунтирует емкость.

Что такое конденсатор, виды конденсаторов и их применение

Неполярные конденсаторы

К неполярным конденсаторам относятся конденсаторы, для которых полярность не важна. Эти конденсаторы симметричны.

Конденсаторы переменной емкости

Эти типы конденсаторов вмещают воздушный диэлектрик и могут изменять свою емкость под действием внешней силы, например, руки человека.

Переменный конденсатор отличается от подстроечного только тем, что переменный конденсатор крутят чаще, чем подстроечный. Второй крутят раз в жизни.

Пленочные конденсаторы

Пленочные конденсаторы являются наиболее распространенными в большом семействе конденсаторов. Они так называются потому, что вместо диэлектрика здесь используется тонкая пленка, которая может состоять из полиэстера, полипропилена, поликарбоната, тефлона и многого другого. Такие конденсаторы обладают номиналом от 5 пФ и до 100 мкФ. Их можно сделать по принципу сэндвича, а также по принципу рулета.

Керамические конденсаторы

Керамические конденсаторы — это конденсаторы, изготовленные из керамики или фарфора с серебряным покрытием. Берут квадратный или круглый диск, напыляют серебро с двух сторон, делают выводы и вуаля! Конденсатор готов! То есть простейший плоский конденсатор, о котором мы говорили ранее в этой статье.

Хотите больше емкости? Без проблем! Складываем диски в бутерброд и увеличиваем емкость.

SMD конденсаторы

Конденсаторы SMD представляют собой керамические конденсаторы, построенные по принципу сэндвича.

Их применяют в микроэлектронике, так как они малогабаритны и удобны в условиях промышленного производства с использованием роботов, которые автоматически размещают SMD-компоненты на плате. Конденсаторы такого типа легко найти на платах ваших мобильных телефонов, на материнских платах компьютеров и в современной технике.

Полярные конденсаторы

Для таких конденсаторов очень важно не перепутать выводы местами при установке. Положительную ножку необходимо соединить с плюсом на схеме, а отрицательную — с минусом. Они обозначаются так же, как и их братья. Единственным отличием является указание полярности данного конденсатора.

Электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы применяются в электронике и электротехнике, где требуются большие значения емкости. Также называется «электролитами».

Конструктивно электролитические конденсаторы очень похожи на пленочные конденсаторы, которые также собраны по принципу рулета, но с одним лишь отличием. Вместо диэлектрика здесь используется азот алюминия.

Разворачиваем «рулет» и видим, что между двумя обкладками из металлической фольги у нас пропитанная каким-то раствором бумага.

Некоторые ошибочно полагают, что бумага и есть сам диэлектрик, хотя это в корне неверно. Как она может быть диэлектриком, если она погружена в раствор, проводящий электричество?

Фактически диэлектриком в данном случае является тончайший слой азота алюминия, который производится электрохимическим методом в заводских условиях.

Его слой настолько тонкий, что можно делать конденсаторы невероятной емкости при малых габаритах. Вы не забыли формулу емкости для плоского конденсатора, не так ли?

То есть в электрических цепях с постоянным током обязательно следует соблюдать правило: плюс на плюс, минус на минус. Если перепутать, то конденсатор может взорваться.

Танталовые конденсаторы

Танталовые конденсаторы доступны во влажном и сухом исполнении. Хотя, в сухом варианте их гораздо больше. Здесь в качестве диэлектрика используется соединение тантала. Оно обладает лучшими свойствами, чем азот алюминия. Если самым большим недостатком электролитических конденсаторов является их высокий ток утечки, то танталовые конденсаторы лишены этого недостатка. Недостаток танталовых конденсаторов в том, что они рассчитаны на меньшую силу, чем их собратья — электролиты. Танталовые конденсаторы также поляризованы, как и электролитические конденсаторы.

Ионисторы

Также существует особый класс конденсаторов — ионисторы. Их также иногда называют суперконденсаторами или золотыми конденсаторами. Нет, не потому, что там есть золото. Сам принцип действия ионистора дороже золота. Для получения максимальной емкости нам нужно намазать «сгущенку» (диэлектрик) тонким слоем или увеличить площадь блинов. Так как бесконечно наращивать блинный слой очень дорого, разработчики решили уменьшить диэлектрический слой. Поскольку диэлектрический слой между обкладками ионистора, т.е. «слой сгущенки», составляет от 5 до 10 нанометров, емкость ионистора достигает впечатляющих значений! Представьте, какой заряд может накопить такой суперконденсатор!

Емкость таких конденсаторов может достигать до десяти фарад. Поверьте, это много. Ионисторы выглядят как обычные таблетки, а также могут напоминать цилиндрические конденсаторы с датчиками. Чтобы отличить их от конденсаторов, достаточно посмотреть на указанную на них емкость. Если там единицы Фарад, то это однозначно ионистор!

Сегодня ионисторы получили широкое применение в электронике и электротехнике. Ими заменяют маленькие батарейки с низкой напряженностью, потому что ионистор конструктивно пока нельзя сделать на несколько вольт. Но можно соединить их последовательно и набрать нужное. Но это удовольствие не из дешевых.

Они также заряжаются очень быстро, так как их резистор ограничен только выводами. А как написано в законе Ома, чем меньше противодействие проводника, тем больше получаем ток, протекающий по нему, а значит, тем быстрее заряжается ионистор. Ионистор можно заряжать и разряжать почти бесконечно.

В чем отличие полярного и неполярного?

Неполярные допускают включение конденсаторов в цепь без учета направления тока. Элементы эксплуатируются в фильтрах регулируемых источников питания, транзисторах высокой периодичности и разряда.

Полярные изделия подключаются в соответствии с маркировкой. Если включить в обратном направлении, устройство выйдет из строя или не будет нормально работать.

Такие конденсаторы большой и малой емкости отличаются конструкцией диэлектрика. В электролитических конденсаторах, если оксид нанести на 1 электрод или 1 сторону бумаги, пленки, то элемент будет полярным.

В цепи переменного тока включают модели неполярных электролитических конденсаторов, в конструкциях которых оксид металла нанесен симметрично на обе поверхности диэлектрика.

У однополярных на корпусе имеется отметка положительного или отрицательного электрода.

Основные данные и характеристики

Емкость.

Важным показателем конденсатора является его номинальная емкость. Для плоского конденсатора справедлива формула:

С = (ε*ε0*S)/d,

где ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика, S — размеры обкладок, d — расстояние между ними.

Реальная емкость отдельных элементов обычно невелика, но можно получить конструкцию емкостью в несколько фарад, если соединить параллельно большое количество пластин. В этом случае фактическая емкость равна сумме всех емкостей пластин.

Максимальная емкость некоторых конденсаторов может достигать нескольких фарад.

 

Удельная емкость.

Величина, характеризующая отношение емкости к объему или массе радиокомпонента. Этот показатель важен в микроэлектронике, где очень важны размеры деталей.

 

Номинальная сила.

Одной из важных электрических характеристик является номинальное значение: значение максимальных вольт, при которых конденсатор может работать без потери значений других его данных. При превышении критического значения, равного силе пробоя, происходит разрушение диэлектрика. Поэтому номинальное значение, очевидно, выбирается больше любого возможного отклонения синусоидального тока в цепи конденсатора.

Есть такие характеристики, как тангенс угла потерь, температурный коэффициент емкости, противодействие  утечки, диэлектрическое поглощение и др., представляющие интерес только для узких специалистов, и их характеристики можно найти в специальных справочниках.

Емкость

Этот показатель характеризует способность конденсатора накапливать электрический заряд. Емкость тем больше, чем больше площадь проводящих пластин и меньше толщина диэлектрического слоя. Кроме того, эта характеристика зависит от материала диэлектрика. Номинальная мощность указана на устройстве. Реальная емкость, в зависимости от условий эксплуатации, может в значительной степени отличаться от номинальной. Стандартные номиналы емкости варьируются от пикофарад до нескольких тысяч микрофарад. Некоторые модели могут иметь емкость в несколько десятков фарад.

Классические конденсаторы содержат положительную емкость, то есть чем больше приложенное напряжение, тем больше накопленный заряд. Но сегодня разрабатываются устройства с уникальными свойствами, которые ученые называют «антиконденсаторами». У них есть отрицательная емкость, то есть при увеличении вольт их заряд уменьшается и наоборот. Внедрение таких антиконденсаторов в электронную промышленность ускорит работу компьютеров и снизит риск их перегрева.

Что произойдет, если вы установите диск с большей или меньшей емкостью, чем требуется? Если же речь идет о сглаживании пульсаций напряжения в блоках питания, то установка конденсатора емкостью выше требуемой (в разумных пределах — до 90% от номинала) в большинстве случаев улучшает ситуацию. Установка конденсатора меньшей емкости может ухудшить работу схемы. В остальных случаях возможность установки детали с показателями, отличными от указанных, определяется конкретно для каждого случая.

Электрические заряды

Как известно, существует два типа зарядов: положительный заряд и отрицательный. И все как обычно: одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Физика седьмой класс.

Если мы подключим наш конденсатор к какому-либо источнику постоянного тока, мы будем заряжать его. В это время положительные заряды, поступающие от источника питания, будут осаждаться на одной пластине, а отрицательные заряды от источника питания — на другой.

Самое интересное, что количество положительных зарядов будет равно количеству отрицательных зарядов.

Даже если мы отключим источник постоянного тока, наш конденсатор останется заряженным.

Почему так происходит?

Во-первых, заряду некуда течь. Хотя со временем он все-таки будет разряжаться. Это зависит от материала диэлектрика.

Во-вторых, происходит взаимодействие зарядов. Положительные заряды притягиваются к отрицательным, но не могут соединиться друг с другом, потому что им мешает диэлектрик, который, как известно, не пропускает электрический ток. В этот момент между обкладками конденсатора возникает электрическое поле, которое просто запасает энергию конденсатора.

Когда конденсатор заряжается, электрическое поле между пластинами становится сильнее. Следовательно, при разрядке конденсатора электрическое поле ослабевает. Но какой заряд мы можем поместить на конденсатор? Здесь в игру вступает понятие емкости конденсатора.

Что такое емкость

Емкость конденсатора — это его способность накапливать заряд на своих обкладках в виде электрического поля.

Но ведь емкость может быть не только в конденсаторе. Например, емкость бутылки 1 литр, емкость бензобака 100 литров и так далее. Ведь мы не можем вместить в бутылку емкостью 1 литр больше, чем 1 литр, верно? В противном случае оставшаяся жидкость просто не поместится в бутылку и выльется. Точно то же самое происходит и с конденсатором. Мы не можем нагружать его сверх меры. Следовательно, емкость конденсатора выражается формулой:

C = Q/U,

где

C — емкость, фарад

Q — количество заряда на одной из обкладок конденсатора, кулоны

U — сила между пластинами, вольт

Получается, что 1 фарад — это когда на обкладках конденсатора запасен заряд в 1 кулон и напряжение на обкладках равно 1 вольту. Емкость может принимать только положительные значения.

Значение в 1 фарад слишком большое. На практике в основном используются микрофарады, нанофарады и пикофарады. Хотим напомнить, что приставка «микро» означает 10-6, «нано» — 10-9, «пико» — 10-12 .

От чего зависит ёмкость?

Основная функция и роль конденсатора в цепи — накопление зарядов, а дополнительная функция — предотвращение утечки.

Величина емкости конденсатора прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости среды и площади пластин и обратно пропорциональна расстоянию между электродами. Есть 2 противоречия:

  1. Для увеличения емкости нужны максимально толстые, широкие и длинные электроды. При этом габариты устройства не могут быть увеличены.
  2. Для удержания зарядов и обеспечения нужной силы притяжения расстояние между пластинами сделано минимальным. В этом случае ток пробоя нельзя уменьшить.

Что такое конденсатор, виды конденсаторов и их применение

Для разрешения противоречий разработчики используют:

  • многослойные конструкции из пары диэлектрика и электрода;
  • пористые анодные структуры;
  • замену бумаги оксидами и электролитами;
  • параллельное соединение элементов;
  • заполнение свободного пространства веществами с повышенной диэлектрической проницаемостью.

Конденсаторы становятся все меньше и лучше с каждым новым изобретением.

Удельная емкость

Отношение номинальной емкости к объему (или массе) диэлектрика. Чем тоньше слой диэлектрика, тем выше удельная емкость, но ниже его напряжение пробоя.

Плотность энергии

Это понятие относится к электролитическим конденсаторам. Максимальная плотность характерна для больших конденсаторов, у которых масса корпуса значительно меньше массы обкладок и электролита.

Номинальное напряжение

Его значение отражается на корпусе и характеризует напряжение, при котором конденсатор работает в течение срока службы при колебаниях размеров в заданных пределах. Рабочее напряжение не должно превышать номинальное значение. Для многих конденсаторов номинальное напряжение уменьшается с повышением температуры.

Полярность

Полярные конденсаторы представляют собой электролитические конденсаторы с положительным и отрицательным зарядом. В приборах отечественного производства на положительном электроде обычно ставили знак «+». На импортных приборах указывается отрицательный электрод, возле которого стоит знак «-». Такие конденсаторы могут выполнять свои функции только при правильном подключении полярности напряжения. Этот факт объясняется химическими особенностями реакции электролита с диэлектриком.

Что будет, если поменять полярность конденсатора? Обычно в этом случае устройства выходят из строя. Это связано с химическим разрушением диэлектрика, что вызывает увеличение силы тока, вскипание электролита и, как следствие, вздутие корпуса и вероятный взрыв.

Большинство накопителей заряда относятся к группе неполярных конденсаторов. Эти детали обеспечивают правильную работу при любом порядке подключения кабелей в цепи.

Маркировка конденсаторов

В маркировке конденсатора, независимо от его типа, есть два обязательных параметра: емкость и номинальное напряжение. Наиболее распространена цифровая маркировка, указывающая величину резистора. Используются три или четыре цифры.

Кратко суть трехзначной маркировки: первые две цифры слева обозначают емкость в пикофарадах. Самая правая цифра показывает, сколько нулей нужно добавить к цифрам слева. Результат будет в пикофарадах. Пример: 154 = 15×104 пФ. На конденсаторах иностранного производства пФ обозначается как ммф.

В четырехзначном коде емкость в пикофарадах указывается в первых трех цифрах, а четвертая указывает на количество добавляемых нулей. Например: 2353=235×103 пФ.

Буквенно-цифровой знак, содержащий букву R, указывающую на расположение десятичной заятой, также может использоваться для обозначения емкости. Например, 0R8=0,8 пФ.

На корпусе значение напряжения обозначается цифрой, за которой следуют буквы: V, WV (что означает «рабочее напряжение»). Если нет указания допустимого напряжения, то конденсатор можно использовать только в низковольтных цепях.

Кроме емкости и напряжения на корпусе могут быть указаны и другие характеристики детали:

  • диэлектрический материал. Б — бумажный, С — слюдяной, К — керамический;
  • степень защиты от внешних воздействий. Г — герметичное исполнение, О — опресованный корпус;
  • режим по току. И — импульсный, У — универсальный, Ч — только постоянный ток, П — переменный/постоянный.

Паразитные параметры конденсаторов

Конденсаторы, помимо основных характеристик, обладают так называемыми «паразитными параметрами», искажающие рабочие свойства колебательного контура. Их необходимо учитывать при проектировании схемы.

К таким параметрам относятся собственное противодействие и индуктивность, которые делятся на следующие составляющие:

  • резистор изоляции (r), который определяется по формуле: r = U/Iut, в которой U — напряжение питания, Iut — ток утечки;
  • эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Эта величина зависит от электрического противодействия материала пластин, выводов, контактов между ними, потерь в диэлектрическом слое. ESR увеличивается с увеличением периодичности микротока, подаваемого на накопитель. В большинстве случаев эта характеристика не является существенной. Исключение составляют электролитические накопители, устанавливаемые в фильтрах импульсных источников питания;
  • эквивалентная последовательная индуктивность — L. На низких колебаниях этот параметр из-за собственной индуктивности пластин и проводов не учитывается.

Паразитные параметры также включают Vloss, незначительную величину, выраженную в процентах, которая показывает, насколько сильно падает напряжение сразу после прекращения зарядки конденсатора.

Обозначение конденсаторов на схеме

На чертежах конденсатор с постоянной емкостью обозначается двумя параллельными черточками — пластинами. Они подписаны буквой «С». Рядом с буквой ставят порядковый номер элемента на схеме и значение емкости в пФ или микрофарадах.

В переменных конденсаторах параллельные линии перечеркнуты диагональной линией со стрелкой. Подстроечные модели обозначаются двумя параллельными линиями, перечеркнутыми диагональной линией с тире на конце. Положительно заряженная пластина указывается в обозначении таких конденсаторов.

Обозначение по ГОСТ 2.728-74 Описание
Обозначение резистора на схеме Конденсатор постоянной емкости
Обозначение резистора на схеме Поляризованный конденсатор
Обозначение резистора на схеме Переменный подстроечный конденсатор
Обозначение резистора на схеме Варикап

Конденсатор в цепи постоянного тока

Итак, берем блок питания постоянного напряжения и выставляем на его крокодилах напряжение 12 вольт. Также берем лампочку на 12 вольт. Теперь вставляем конденсатор в разрыв цепи.

Лампочка не горит.

Но если исключить конденсатор из цепи и подключить его напрямую к лампочке, то лампа горит.

Отсюда следует вывод: постоянный ток через конденсатор не протекает! То есть в цепи постоянного тока идеальный конденсатор имеет бесконечно большое сопротивление.

Честно говоря, в начальный момент подачи напряжения ток еще течет несколько секунд. Все зависит от емкости конденсатора.

Конденсатор в цепи переменного тока

Чтобы узнать, как ведет себя конденсатор в цепи переменного тока, нам нужно собрать простейшую схему, представляющую собой делитель напряжения. Смысл эксперимента таков: с помощью генератора колебаний будем менять только периодичность, а смещение оставим без изменений. Красная точка покажет нам знак с генератора колебаний, а желтая покажет нам его на резисторе. Сняв его с резистора, мы можем косвенно узнать, как ведет себя конденсатор, исходя из законов делителя напряжения.

Зависимость сопротивления от частоты и смещения фаз

Итак, если у нас нулевая частотность, то это означает постоянный электроток. Постоянный, как мы уже видели, конденсатор не пропускает. Кажется, с этим разобрались. А что будет, если подать переменный микроток 100 герц?

На экране осциллографа отображались такие параметры, как периодичность сообщения и его амплитуды (эти параметры отмечены белой стрелкой).

F — колебания;

Ма — отклонение.

Красная синусоида показывает сообщение, выдаваемое нам китайским генератором. Желтая синусоида — это то, что у нас получается на нагрузке. В нашем случае нагрузкой является резистор. Ну вот и все.

Как видно из осциллограммы, с генератора выходит синусоидальный знак в 100 Герц и смещением 2 вольта, а напряжение на резисторе всего около 136 мВ.

Как видите, отклонение желтого уменьшилось. Это говорит нам о том, что конденсатор начал пропускать переменный ток, но его резистор еще очень велик.

Но тут можно заметить еще одну особенность: осциллограмма напряжения на сигнальном резисторе сместилась влево, то есть опережает предупреждение с генератора, или говоря научным языком, появляется отклонение фазы. Опережает фаза, а не сам знак. Если бы сам он был опережающим, то предупреждение на резисторе появилось бы по времени раньше сигнала, подаваемого на него через конденсатор. Получилось бы своеобразное путешествие во времени, что, конечно же, невозможно.

Изменение фазы представляет собой разницу между начальными фазами двух измеряемых величин. В данном случае напряжения. Для его измерения должно быть условие, что эти сообщения имеют одинаковую периодичность. Смещение может быть любым.

Увеличим колебания на генераторе до 500 Гц.

Резистор уже выдает 560 мВ. Шаг фаз уменьшается. Получается, что мы немного увеличили колебание, а противодействие конденсатора уменьшили.

Увеличиваем колебания на 1 кГц.

Напряжение на резисторе 1 вольт. Напряжение на резисторе увеличивается с их ростом. Это говорит о том, что сопротивление конденсатора стало еще меньше.

Ставим периодичность 5кГц.

Отклонение 1,84 вольта и фазовый шаг явно уменьшается.

Повышаем до 10 кГц.

Оно уже почти такое же, как на входе. Шаг фаз менее заметен.

Установим на 100 кГц.

Фазовый показатель практически отсутствует. Напряжение на резисторе почти сравнялось с напряжением генератора. Это говорит о том, что конденсатор практически не имеет сопротивления на высоких оборотах.

Получился парадокс. Конденсатор не пропускает постоянный электроток, а электротоки высокой частотности- пожалуйста.

Отсюда делаем глубокие выводы:

Чем выше частотность, тем меньше сопротивление конденсатора по переменному микротоку. Фазовый уход уменьшается с увеличением частотности почти до нуля. На бесконечно низких величинах его значение составляет 90 градусов или π/2.

Зависимость сопротивления от номинала конденсатора

Итак, мы узнали, что сопротивление конденсатора зависит от колебаний. Но только ли от нее? Возьмем конденсатор емкостью 0,1 мкФ, то есть номиналом в 10 раз меньше предыдущего, и заставим его снова работать на тех же частотах.

При частоте 100 Гц и емкости конденсатора 1 мкФ уход желтого предупреждения составил 136 милливольт, а при той же частоте, но при емкости конденсатора 0,1 мкФ, сдвиг желтого составил уже 101 милливольт (на самом деле даже меньше из-за помех). При частоте 500 Герц — 560 милливольт и 106 милливольт соответственно, при частоте 1 Килогерц — 1 Вольт и 136 милливольт и так далее.

Отсюда напрашивается вывод: с уменьшением номинала конденсатора его сопротивление увеличивается.

Формула сопротивления конденсатора

С помощью физико-математических преобразований физики и математики придумали формулу для расчета сопротивления конденсатора.

Xс = 1/2πF,

где

Xс — сопротивление конденсатора, Ом

π является константой и приблизительно равна 3,14

F — периодичность, измеряемая в Герцах

C — емкость, измеряемая в Фарадах

Итак, установите частоту в этой формуле равной нулю Герц. Частота ноль герц это постоянный ток. Что получится? 1/0=бесконечность или очень высокое сопротивление. В общем, обрыв цепи.

Особенности соединения нескольких конденсаторов в цепи

Соединение нескольких конденсаторов друг с другом может быть последовательным или параллельным.

Последовательное

Последовательное соединение позволяет подавать на пластины большее напряжение, чем на отдельную деталь. Напряжение распределяется в соответствии с мощностью каждого накопителя. Если емкости частей равны, то и напряжение распределяется поровну.

Общая емкость в такой цепи находится по формуле:

Собщ = 1/(1/С1+1/С2…+1/Сn)

Если провести расчеты, то становится понятно, что увеличение напряжения, которое передает транформатор, в цепи достигается значительным падением емкости. Например, если в цепи последовательно соединить два конденсатора по 10 мкФ, то общая емкость будет всего 5 мкФ.

Параллельное

Это наиболее распространенный на практике способ увеличения общей емкости в цепи. Параллельное соединение позволяет создать большой конденсатор с общей площадью токопроводящих пластин. Общая емкость системы представляет собой сумму емкостей соединенных частей.

С = С1+С2+…+Сn

Напряжение на всех элементах будет одинаковым.

Как проверить работоспособность конденсатора

Для проверки работоспособности конденсатора используйте мультиметр. Перед проверкой накопителя необходимо определить, какое устройство находится в цепи: однополярное (электролитическое) или неполярное.

Проверка полярного конденсатора

При проверке такого конденсатора необходимо соблюдать правильную полярность подключения щупов: плюс должен быть прижат к плюсовой ножке, минус — к минусовой. Если поменять полярность, конденсатор выйдет из строя.

После выпайки деталь помещается на свободное место. Мультиметр включается в режим измерения сопротивления («прозвонки»).

Щупы касаются клемм устройства с соблюдением полярности. Правильная ситуация, когда на экране появляется первое значение, которое начинает постепенно увеличиваться. Максимальное значение, которое должно быть достигнуто для работы устройства, равно 1. Если вы просто прикоснулись щупами к клеммам и на экране сразу появилась цифра 1, значит, устройство неисправно. Появление на экране «0» означает, что внутри детали произошло короткое замыкание.

Проверка неполярного конденсатора

В этом случае проверка предельно проста. Диапазон измерения устанавливают на 2 МОм. Щупы подключаются к выводам конденсатора в любом порядке. Результирующее значение должно быть больше двух. Если на дисплее отображается значение менее 2 МОм, деталь неисправна.

Как зарядить и разрядить конденсатор

Для зарядки устройства его подключают к источнику постоянного тока. Зарядка прекращается, когда напряжение источника питания сравнивается по величине с напряжением на пластинах. Разрядить конденсатор может быть необходимо для безопасной разборки электроприборов и электронных устройств. Аккумуляторы электронных устройств разряжаются обычной диэлектрической отверткой. Для разрядки крупных агрегатов, которые устанавливаются в бытовых приборах, необходимо произвести монтаж специального разрядного устройства.

Оцените статью
Блог о рациях