Что такое конденсатор, виды конденсаторов и их применение

Что такое конденсатор?

Прибор, который накапливает электроэнергию в виде электрических зарядов, называется конденсатором.

Количество электричества или электрический заряд в физике измеряют в кулонах (Кл). Электрическую ёмкость считают в фарадах (Ф).

Уединенный проводник электроёмкостью в 1 фараду — металлический шар с радиусом, равным 13 радиусам Солнца. Поэтому конденсатор включает в себя минимум 2 проводника, которые разделяет диэлектрик. В простых конструкциях прибора — бумага.

Работа конденсатора в цепи постоянного тока осуществляется при включении и выключении питания.Только в переходные моменты меняется потенциал на обкладках.

Конденсатор в цепи переменного тока перезаряжается с частотой, равной частоте напряжения источника питания. В результате непрерывных зарядов и разрядов ток проходит через элемент. Выше частота — быстрее перезаряжается прибор.

Сопротивление цепи с конденсатором зависит от частоты тока. При нулевой частоте постоянного тока величина сопротивления стремится к бесконечности. С увеличением частоты переменного тока сопротивление уменьшается.

Формулы емкости конденсаторов

Для любого конденсатора справедлива формула:

где C – емкость конденсатора; q – величина заряда одной из обкладок конденсатора; – разность потенциалов между его обкладками.

Емкость конденсатора, между пластинами которого находится диэлектрик (C) (диэлектрическая проницаемость которого равна в раз больше, чем емкость такого же воздушного конденсатора ():

Для расчета емкости плоского конденсатора применяют формулу:

где – электрическая постоянная; S – площадь каждой (или наименьшей) пластины; d – расстояние между пластинами.

Емкость плоского конденсатора, содержащего N слоев диэлектрика (толщина i-го слоя равна , диэлектрическая проницаемость i-го слоя , определяется как:

Электрическая емкость цилиндрического конденсатора вычисляют как:

где l – высота цилиндров; – радиус внешней обкладки; – радиус внутренней обкладки.

Емкость сферического (шарового) конденсатора находят по формуле:

где – радиусы обкладок конденсатора.

Где применяются конденсаторы?

Работа электронных, радиотехнических и электрических устройств невозможна без конденсаторов.

В электротехнике прибор используется для сдвига фаз при запуске асинхронных двигателей. Без сдвига фаз трехфазный асинхронный двигатель в переменной однофазной сети не функционирует.

Конденсаторы с ёмкостью в несколько фарад — ионисторы, используются в электромобилях, как источники питания двигателя.

Для понимания, зачем нужен конденсатор, нужно знать, что 10-12% измерительных устройств работают по принципу изменения электрической ёмкости при изменении параметров внешней среды. Реакция ёмкости специальных приборов используется для:

• регистрации слабых перемещений через увеличение или уменьшение расстояния между обкладками;
• определения влажности с помощью фиксирования изменений сопротивления диэлектрика;
• измерения уровня жидкости, которая меняет ёмкость элемента при заполнении.

Трудно представить, как конструируют автоматику и релейную защиту без конденсаторов. Некоторые логики защит учитывают кратность перезаряда прибора.

Ёмкостные элементы используются в схемах устройств мобильной связи, радио и телевизионной техники. Конденсаторы применяют в:

• усилителях высоких и низких частот;
• блоках питания;
• частотных фильтрах;
• усилителях звука;
• процессорах и других микросхемах.

Легко найти ответ на вопрос, для чего нужен конденсатор, если посмотреть на электрические схемы электронных устройств.

Какие типы конденсаторов бывают?

Существуют различные варианты классификации конденсаторов, используемых в электронных схемах. Чаще всего такие устройства разделяют на типы по виду используемого в них диэлектрика. По особенностям диэлектрика можно выделить следующие типы:

• с жидкими диэлектриками.
• вакуумные, в которых отсутствует диэлектрик.
• с твердым органическим диэлектриком.
• с газовым диэлектриком.
• электролитические или оксид-полупроводниковые с электрлитом или оксидным металлическим слоем.
• с твердым неорганическим диэлектриком.

Второй вариант классификации – по вероятности колебания величины ёмкости. По этой характеристике можно выделить следующие устройства:

• Переменные – которые могут менять ёмкость из-за воздействия напряжения или температурных условий.
• Постоянные – величина ёмкости не изменяется на протяжении срока службы.
• Подстроечные – с изменяемой ёмкостью, используемые для периодической или разовой подстройки схем.

По сфере эксплуатации все конденсаторы разделяются на следующие типы:

• Низковольтные, используемые в сетях с малым напряжением.
• Высоковольтные, применяемые в сетях высокого напряжения.
• Импульсные – способные выделять краткосрочный импульс.
• Пусковые – для стартового запуска электрического мотора.
• Помехоподавляющие.

Существуют и другие классы по сферам применения, но на практике они встречаются крайне редко.

В таблице ниже представлены наиболее распространенные конденсаторы и их обозначения на схемах.

Конденсатор — это электрический (электронный) компонент, состоящий из двух проводников (обкладок), разделенных между собой слоем диэлектрика. Существует много видов конденсаторов. В основном они делятся по материалу из которого изготовлены обкладки и по типу используемого диэлектрика между ними.

Характеристики и свойства

К параметрам конденсатора, которые используют для создания и ремонта электронных устройств, относят:

1. Ёмкость — С. Определяет количество заряда, которое удерживает прибор. На корпусе указывается значение номинальной ёмкости. Для создания требуемых значений элементы включают в цепь параллельно или последовательно. Эксплуатационные величины не совпадают с расчетными.
2. Резонансная частота — fр. Если частота тока больше резонансной, то проявляются индуктивные свойства элемента. Это затрудняет работу. Чтобы обеспечить расчетную мощность в цепи, конденсатор разумно использовать на частотах меньше резонансных значений.
3. Номинальное напряжение — Uн. Для предупреждения пробоя элемента рабочее напряжение устанавливают меньше номинального. Параметр указывается на корпусе конденсатора.
4. Полярность. При неверном подключении произойдет пробой и выход из строя.
5. Электрическое сопротивление изоляции — Rd. Определяет ток утечки прибора. В устройствах детали располагаются близко друг к другу. При высоком токе утечки возможны паразитные связи в цепях. Это приводит к неисправностям. Ток утечки ухудшает емкостные свойства элемента.
6. Температурный коэффициент — TKE. Значение определяет, как ёмкость прибора меняется при колебаниях температуры среды. Параметр используют, когда разрабатывают устройства для эксплуатации в тяжелых климатических условиях.
7. Паразитный пьезоэффект. Некоторые типы конденсаторов при деформации создают шумы в устройствах.

Основные параметры

Главные параметры конденсаторов, которые используются при проектировании и ремонте устройств радиоэлектроники, – это емкость и номинальное напряжение. Кроме этого, существует еще несколько дополнительных параметров, которые могут влиять на элементы схемы. Конденсаторы имеют следующие основные характеристики.

Ёмкость

Это самый основной параметр, который характеризует накопление электрического заряда. Расчет значения производится по различным формулам, в зависимости от конструкционных особенностей: плоский, цилиндрический или круглый конденсатор. На практике большая их часть выпускается как разновидности плоского. Емкость современных устройств варьируется от единиц пикофарад до десятков тысяч микрофарад и даже единиц фарад.

Удельная ёмкость

Этот относительный параметр привязывает габариты к величине емкости. Таким образом, чем выше удельная емкость, тем меньше габариты конструкции, однако при этом может упасть электрическая прочность (рабочее напряжение).

Плотность энергии

Данный параметр важен при использовании конденсаторов в качестве накопителей энергии, определяет величину энергии на единицу массы или объема элемента.

Номинальное напряжение

Значение напряжения, при котором сохраняются рабочие параметры в течение срока службы, называется номинальным. Рабочее напряжение должно быть меньше номинального.

Важно! Превышение номинального напряжения чревато выходом элемента из строя. Электролитический конденсатор при этом может разрушиться со взрывом

Вопреки распространенному мнению, элемент, включенный в цепь с напряжением, в несколько раз меньше номинального, сохраняет все остальные параметры.

Полярность

Такие виды конденсаторов, как электролитические, зачастую требуют включения в цепь с соблюдением полярности. Поскольку такие элементы используются, в основном, как накопители или фильтры, это не составляет затруднений. Несоблюдение полярности приводит к:

• несоответствию емкости;
• повреждению.

Маркировка обязательно содержит информацию о полярности подключения.

Опасность разрушения (взрыва)

Разрушение со взрывом характерно для электролитических конденсаторов. Причиной взрыва является нагрев, который возникает из-за:

• несоблюдения полярности;
• расположения рядом с источниками тепла;
• старения (увеличения утечки и повышения эквивалентного сопротивления).

Для уменьшения последствий разрушения на корпусе в торце ставят предохранительный клапан или формируют насечки на крышке. Такая конструкция гарантирует, что при резком увеличении давления внутри корпуса скопившиеся газы и электролит выделяются через клапан или разрушенную по насечкам крышку. Таким образом, предотвращается взрыв, при котором обкладки и электролит разбрасываются по большой площади и вызывают замыкание элементов плат. Охлаждение устройства снижает вероятность разрушения.

Виды конденсаторов

Емкостные элементы классифицируют по типу диэлектрика, применяемого в конструкции.

Бумажные и металлобумажные конденсаторы

Элементы используются в цепях с постоянным или слабо пульсирующим напряжением. Простота конструкции оборачивается пониженной на 10-25% стабильностью характеристик и возросшей величиной потерь.

В бумажных конденсаторах обкладки из алюминиевой фольги разделяет бумага. Сборки скручивают и помещают в корпус в форме цилиндра или прямоугольного параллелепипеда.

Приборы работают при температурах -60…+125°C, с номинальным напряжением у низковольтных приборов до 1600 В, высоковольтных — выше 1600 В и ёмкостью до десятков мкФ.

В металлобумажных приборах вместо фольги на диэлектрическую бумагу наносят тонкий слой металла. Это помогает изготовить элементы меньших размеров. При незначительных пробоях возможно самовосстановление диэлектрика. Металлобумажные элементы уступают бумажным по сопротивлению изоляции.

Электролитические конденсаторы

Конструкция изделий напоминает бумажные. Но при изготовлении электролитических элементов бумагу пропитывают оксидами металлов.

В изделиях с электролитом без бумаги оксид наносится на металлический электрод. У оксидов металлов односторонняя проводимость, что делает прибор полярным.

В некоторых моделях электролитических элементов обкладки изготавливают с канавками, которые увеличивают площадь поверхности электрода. Зазоры в пространстве между пластинами устраняют с помощью заливания электролитом. Это улучшает емкостные свойства изделия.

Большая ёмкость электролитических приборов — сотни мкФ, используется в фильтрах, чтобы сглаживать пульсации напряжения.

Алюминиевые электролитические

В приборах этого типа анодная обкладка делается из алюминиевой фольги. Поверхность покрывают оксидом металла — диэлектриком. Катодная обкладка — твердый или жидкий электролит, который подбирается так, чтобы при работе восстанавливался слой оксида на фольге. Самовосстановление диэлектрика продлевает время работы элемента.

Конденсаторы такой конструкции требуют соблюдения полярности. При обратном включении разорвет корпус.

Приборы, внутри которых располагаются встречно-последовательные полярные сборки, используют в 2 направлениях. Ёмкость алюминиевых электролитических элементов достигает нескольких тысяч мкФ.

Танталовые электролитические

Анодный электрод таких приборов изготовляют из пористой структуры, получаемой при нагреве до +2000°C порошка тантала. Материал внешне напоминает губку. Пористость увеличивает площадь поверхности.

С помощью электрохимического окисления на анод наносят слой пентаоксида тантала толщиной до 100 нанометров. Твердый диэлектрик делают из диоксида марганца. Готовую конструкцию прессуют в компаунд — специальную смолу.

Танталовые изделия используют на частотах тока свыше 100 кГц. Ёмкость создается до сотен мкФ, при рабочем напряжении до 75 В.

Основные характеристики

Главным рабочим параметром является емкость, от которой зависит способность конкретной модели накапливать заряд. Следует разделять номинальную и фактическую емкость, так как на практике использования вторая величина может быть меньше. Диапазон значений по объему может варьироваться от 1 до 50 мкФ, а в некоторых случаях максимум достигает и 10 000 мкФ. Важен и показатель энергетической плотности, во многом определяемый конструкцией изделия. Наибольшей плотностью характеризуются крупноформатные типы конденсаторов, у которых масса обкладки с электролитом существенно превышает вес корпуса. К примеру, при емкости в 10 000 мкФ с напряжением в 0,45 кВт и массой порядка 2 кг плотность может достигать 600-800 Дж/кг. Как раз такие модели выгодно использовать для длительного хранения энергии. Помимо этого, рабочие свойства конденсаторов определяются допуском. Речь идет как раз о погрешности в соотношении показателей реальной и номинальной емкости. Данная величина выражается в процентах и в среднем составляет 20-30 %. В некоторых направлениях радиотехники применяются изделия с 1 % допуска.

В чем отличие полярного и неполярного?

Неполярные допускают включение конденсаторов в цепь без учета направления тока. Элементы применяются в фильтрах переменных источников питания, усилителях высокой частоты.

Полярные изделия подсоединяют в соответствии с маркировкой. При включении в обратном направлении прибор выйдет из строя или не будет нормально работать.

Полярные и неполярные конденсаторы большой и малой ёмкости отличаются конструкцией диэлектрика. В электролитических конденсаторах, если оксид наносится на 1 электрод или 1 сторону бумаги, пленки, то элемент будет полярным.

Модели неполярных электролитических конденсаторов, в конструкциях которых оксид металла нанесли симметрично на обе поверхности диэлектрика, включают в цепи с переменным током.

У полярных на корпусе присутствует маркировка положительного или отрицательного электрода.

Обозначение плюса конденсатора

На отечественных советских изделиях обозначался только положительный контакт – знаком “+”. Этот знак наносился на корпус рядом с положительным выводом. Иногда в литературе плюсовой вывод электролитических конденсаторов называют анодом, поскольку они не только пассивно накапливают заряд, но и применяются для фильтрации переменного тока, т.е. обладают свойствами активного полупроводникового прибора. В ряде случаев знак “+” ставят и на печатной плате, вблизи от положительного вывода размещенного на ней накопителя.

Советуем изучить Термопара: что это такое

На изделиях серии К50-16 маркировку полярности наносят на дно, выполненное из пластмассы. У других моделей серии К50, например К50-6, знак “плюс” нанесен краской на нижнюю часть алюминиевого корпуса, рядом с положительным выводом. Иногда по низу также маркируются изделия импортные, произведенные в странах бывшего социалистического лагеря. Современная отечественная продукция отвечает общемировым стандартам.

Маркировка конденсаторов типа SMD (Surface Mounted Device), предназначенных для поверхностного монтажа (SMT – Surface Mount Technology), отличается от обыкновенной. Плоские модели имеют черный или коричневый корпус в виде маленькой прямоугольной пластины, часть которой у положительного вывода закрашена серебристой полосой с нанесенным на нее знаком “плюс”.