Первый конденсатор. Виды конденсаторов и их применение. Особенности применения электролитических конденсаторов

В электрической цепи каждого прибора есть такой элемент, как конденсатор. Это он служит для наполнения энергией, которая нужна для правильной и бесперебойной работы оборудования.

Что такое конденсатор

Каждый конденсатор - это устройство, обладающее набором технических параметров, которые стоит рассмотреть детально.

Конденсаторы можно встретить во многих отраслях электротехники. Их непосредственная область применения:

• Создание цепей, колебательных контуров.
• Получение импульса с большим количеством мощности.
• В промышленной электротехнике.
• В изготовлении датчиков.
• Усовершенствование работы защитных устройств.

Емкость конденсатора

Для каждого конденсатора главный параметр - это его емкость. У каждого устройства она своя и измеряется она в Фарадах. В основе электроники и радиотехники используют конденсаторы с миллионной долей Фарад. Чтобы узнать номинальную емкость устройства, достаточно просмотреть его корпус, на котором имеется вся информация. Показания емкости могут изменяться из-за следующих параметров:

• Общая площадь всех обкладок.
• Расстояние между ними.
• Материал, из которого сделан диэлектрик.
• Температура окружающей среды.

Наряду с номинальной емкостью существует еще и реальная. Ее значение намного ниже предыдущей. По реальной емкости можно определить основные электрические параметры. Емкость определяют от заряда обкладки и ее напряжения. Максимальная емкость может достигать нескольких десятков Фарад. Конденсатор может также быть охарактеризован удельной емкостью. Это отношение емкости и объема диэлектрика. Маленькая толщина диэлектрика обеспечивает большое значение удельной емкости. Каждый конденсатор может изменять свою емкость, и делятся они на следующие типы:

• Постоянные конденсаторы - они практически не меняют свою емкость.
• Переменные конденсаторы - значение емкости изменяется в ходе работы оборудования.
• Подстроечные конденсаторы - изменяют свою емкость от регулировки аппаратуры.

Напряжение конденсатора

Напряжение считается еще одним из важных параметров. Чтобы конденсатор выполнял свои функции в полном объеме, нужно знать точное показание напряжения. Оно указывается на корпусе устройства. Номинальное напряжение напрямую зависит от сложности конструкции конденсатора и основных свойств материалов, используемых при его изготовлении. Напряжение, подаваемое на конденсатор, должно полностью совпадать с номинальным. Многие устройства при работе нагреваются, в таком случае напряжение понижается. Часто из-за большой разницы в напряжениях конденсатор может перегореть или взорваться. Также это происходит из-за утечки или повышения сопротивления. Для безопасной работы конденсатора его оснащают защитным клапаном и насечкой на корпусе. Как только происходит увеличение давления, клапан автоматически открывается, и по намеченной насечке корпус ломается. Из конденсатора в таком случае электролит выходит в виде газа и не происходит никакого взрыва.

Допуски конденсаторов

Самый простой конденсатор - это два электрода, сделанные в форме пластин, которые разделяются тонкими изоляторами. Каждое устройство имеет отклонение, которое допустимо при его работе. Эту величину также можно узнать по маркировке устройства. Его допуск измеряется и указывается в процентном соотношении и может лежать в пределах от 20 до 30%. Для электротехники, которая должна работать с высокой точностью, можно использовать конденсаторы с маленьким значением допуска, не больше 1%.
Приведенные параметры являются основными для работы конденсатора. Зная их значения, можно использовать конденсаторы для самостоятельной сборки аппаратов или машин.

Виды конденсаторов

Существует несколько основных видов конденсаторов, которые используют в различной технике. Итак, стоит рассмотреть каждый вид, его описания и свойства:

У каждого конденсатора свое предназначение, поэтому их дополнительно классифицируют на общие и специальные. Общие конденсаторы применяют в любых видах и классах аппаратуры. В основном это низковольтные устройства. Специальные конденсаторы - это все остальные виды устройств, которые являются высоковольтными, импульсными, пусковыми и другими различными видами.

Особенности плоского конденсатора

Так как конденсатор - это устройство, предназначенное для накопления напряжения и его дальнейшего распределения, поэтому нужно выбирать его с хорошей электроемкостью и «пробивным» напряжением. Одним из таких является плоский конденсатор. Выпускается он в виде двух тонких пластин определенной площади, которые расположены на близком расстоянии друг от друга. Плоский конденсатор обладает двумя зарядами: положительным и отрицательным.

Пластины плоского конденсатора между собой имеют однородное электрическое поле. Этот тип устройства не вступает во взаимодействие с другими приборами. Пластина конденсатора способна усиливать электрическое поле.

Правильный заряд конденсатора

Он является хранилищем для электрических зарядов, которые должны постоянно заряжаться. Заряд конденсатора происходит за счет подключения его к сети. Чтобы зарядить устройство, нужно правильно подсоединить его. Для этого берут цепь, которая состоит из разряженного конденсатора с емкостью, резистором, и подключают к питанию с постоянным напряжением.

Разряжается конденсатор по следующему типу: замыкают ключ, и пластины его соединяются между собой. В это время конденсатор разряжается, и между его пластинами исчезает электрическое поле. Если конденсатор разряжается через провода, то на это уйдет много времени, так как в них накапливается много энергии.

Зачем нужен контур конденсатора

В контурах находятся конденсаторы, которые изготавливаются из пары пластин. Для их изготовления берут алюминий или латунь. Хорошая работа радиотехники зависит от правильной настройки контуров. Самая обычная цепь контура состоит из одной катушки и конденсатора, которые между собой замкнуты в электрическую цепь. Есть условия, которые влияют на появление колебаний, поэтому чаще всего контур конденсатора называют колебательным.

Заключение

Конденсатор - это пассивное устройство в электрической цепи, которое используется в качестве емкости для хранения электричества. Чтобы средство для накопления энергии в электрических цепях, именуемое конденсатором, проработало долго, нужно следовать указанным условиям, которые прописаны на корпусе устройства. Область применения широкая. Используют конденсаторы в радиоэлектронике и различной аппаратуре. Подразделяются устройства на много разных видов и выпускаются многообразной конструкцией. Конденсаторы могут соединяться двумя видами: параллельным и последовательным. Также на корпусе устройства есть информация о емкости, напряжении, допуске и его типе. Стоит запомнить, что при подключении конденсатора стоит соблюдать полярность. В противном случае устройство быстро выйдет из строя.

Конденсаторы, как и резисторы, относятся к наиболее многочисленным элементам радиотехнических устройств. О некоторых свойствах конденсатора — « накопителя » электрических зарядов я уже рассказывал. Тогда же говорил, что емкость конденсатора будет тем значительнее, чем больше площадь его обкладок и чем тоньше слой диэлектрика между ними.

Основной единицей электрической емкости является фарада (сокращенно Ф, названная так в честь английского физика М. Фарадея. Однако 1 Ф — это очень большая емкость. Земной шар, например, обладает емкостью меньше 1 Ф. В электро- и радиотехнике пользуются единицей емкости, равной миллионной доле фарады, которую называют микрофарадой (сокращенно мкФ). В одной фараде 1 000 000 мкФ, т. е. 1 мкФ = 0,000001 Ф. Но и эта единица емкости часто оказывается слишком большой. Поэтому существует еще более мелкая единица емкости, именуемая пикофарадой (сокращенно пФ), представляющая собой миллионную долю микрофарады, т. е. 0,000001 мкФ; 1 мкФ = 1000000 пФ. Все конденсаторы, будь то постоянные или переменные, характеризуются прежде всего их емкостями, выраженными соответственно в пикофарадах, микрофарадах.

На принципиальных схемах емкость конденсаторов от 1 до 9999 пФ указывают целыми числами, соответствующими их емкостям в этих единицах без обозначения пФ, а емкость конденсаторов от 0,01 мкФ (10000 пФ) и больше — в долях микрофарады или микрофарадах без обозначения мкФ. Если емкость конденсатора равна целому числу микрофарад, то в отличие от обозначения емкости в пикофарадах после последней значащей цифры ставят запятую и нуль. Примеры обозначения емкостей конденсаторов на схемах: С1 = 47 соответствует 47 пФ, С2 = 3300 соответствует 3300 пФ; С3 = 0,47 соответствует 0,047 мкФ (47000 пФ); С4 = 0,1 соответствует 0,1 мкФ; С5 = 20,0 соответствует 20 мкФ.

Конденсатор в простейшем виде представляет собой две пластинки, разделенные диэлектриком. Если конденсатор включить в цепь постоянного тока, то ток в этой цепи прекратится. Да это и понятно: через изолятор, которым является диэлектрик конденсатора, постоянный ток течь не может. Включение конденсатора в цепь постоянного тока равнозначно разрыву ее (мы не принимаем во внимание момент включения, когда в цепи появляется кратковременный ток зарядки конденсатора). Иначе ведет себя конденсатор в цепи переменного тока. Вспомни: полярность напряжения на зажимах источника переменного тока периодически меняется. Значит, если включить конденсатор в цепь, питаемую от такого источника тока, его обкладки будут попеременно перезаряжаться с частотой этого тока. В результате в цепи будет протекать переменный ток.

Конденсатор подобно резистору и катушке оказывает переменному току сопротивление, но разное для токов различных частот. Он может хорошо пропускать токи высокой частоты и одновременно быть почти изолятором для токов низкой частоты. Радиолюбители, например, иногда вместо наружных антенн используют провода электроосветительной сети, подключая приемники к ним через конденсатор емкостью 220 – 510 пФ. Случайно ли выбрана такая емкость конденсатора? Нет, не случайно. Конденсатор такой емкости хорошо пропускает токи высокой частоты, необходимые для работы приемника, но оказывает большое сопротивление переменному току частотой 50 Гц, текущему в сети. В этом случае конденсатор становится своеобразным фильтром, пропускающим ток высокой частоты и задерживающим ток низкой частоты.

Емкостное сопротивление конденсатора переменному току зависит от его емкости и частоты тока: чем больше емкость конденсатора и частота тока, тем меньше его емкостное сопротивление. Это сопротивление конденсатора можно с достаточной точностью определить по такой упрощенной формуле

RC = 1/6fC
π (точнее 6,28, так как π = 3,14).

где RC - емкостное сопротивление конденсатора, Ом; f - частота тока, Гц; С - емкость данного конденсатора, Ф; цифра 6 - округленное до целых единиц значение 2 π (точнее 6,28, так как π = 3,14).

Пользуясь этой формулой, давай узнаем, как ведет себя конденсатор по отношению к переменным токам, если использовать провода электросети в качестве антенны. Допустим, что емкость этого конденсатора 500 пФ (500 пФ = 0,0000000005 Ф). Частота тока электросети 50 Гц. За среднюю несущую частоту радиостанции примем 1 МГц (1 000 000 Гц), что соответствует волне длиной 300 м. Какое сопротивление оказывает этот конденсатор радиочастоте?

Rc = = 1/(6·1000000·0,0000000005) ~=300 Ом.

А переменному току электросети?

Rc = 1/(6·50·0,0000000005) ~= 7 МОм.

И вот результат: конденсатор емкостью 500 пФ оказывает току высокой частоты в 20000 раз меньшее сопротивление, чем току низкой частоты. Убедительно? Конденсатор меньшей емкости оказывает переменному току сети еще большее сопротивление.

емкостное сопротивление конденсатора переменному току уменьшается с увеличением его емкости и частоты тока, и наоборот, увеличивается с уменьшением его емкости и частоты тока.

Свойство конденсатора не пропускать постоянный ток и проводить по-разному переменные токи различных частот используют для разделения пульсирующих токов на их составляющие, задержания токов одних частот и пропускания токов других частот.

Как устроены конденсаторы постоянной емкости?

Все конденсаторы постоянной емкости имеют токопроводящие обкладки, а между ними — керамика, слюда, бумага или какой-либо другой твердый диэлектрик. По виду используемого диэлектрика конденсаторы называют соответственно керамическими, слюдяными, бумажными. Внешний вид некоторых керамических конденсаторов постоянной емкости показан на рис. 1

Рис. 1. Керамические конденсаторы постоянной емкости

У них диэлектриком служит специальная керамика, обкладками — тонкие слои посеребренного металла, нанесенные на поверхности кермики, а выводами латунные посеребренные проволочки или полоски, припаянные к обкладкам. Сверху корпусы конденсаторов покрыты эмалью.

Наиболее распространены керамические конденсаторы типов КДК (Конденсатор Дисковый Керамический) и КТК (Конденсатор Трубчатый Керамический): У конденсатора типа КТК одна обкладка нанесена на внутреннюю, а вторая на внешнюю поверхность тонкостенной керамической трубочки. Иногда трубчатые конденсаторы помещают в герметичные фарфоровые « футлярчики » с металлическими колпачками на концах. Это конденсаторы типа КГК.

Керамические конденсаторы обладают сравнительно небольшими емкостями — до нескольких тысяч пикофарад. Их ставят в те цепи, в которых течет ток высокой частоты (цепь антенны, колебательный контур), для связи между ними.

Чтобы получить конденсатор небольших размеров, но обладающий относительно большой емкостью, его делают не из двух, а из нескольких пластин, сложенных в стопку и отделенных друг от друга диэлектриком (рис. 2). В этом случае каждая пара расположенных рядом пластин образует конденсатор. Соединив эти пары пластин параллельно, получают конденсатор значительной емкости.

Рис. 2. Слюдяные конденсаторы

Так устроены все конденсаторы со слюдяным диэлектриком. Их пластинами — обкладками служат листочки из алюминиевой фольги или слои серебра, нанесенные непосредственно на слюду, а выводами отрезки посеребренной проволоки. Такие конденсаторы опрессованы пластмассой. Это конденсаторы КСО. В их наименовании имеется цифра, характеризующая форму и размеры конденсаторов, например: КСО-1, КСО-5. Чем больше цифра, тем больше и размеры конденсатора. Некоторые слюдяные конденсаторы выпускают в керамических влагонепроницаемых корпусах. Их называют конденсаторами типа СГМ. Емкость слюдяных конденсаторов бывает от 47 до 50000 пФ (0,05 мкФ). Как и керамические, они предназначены для высокочастотных цепей, а также для использования в качестве блокировочных и для связи между высокочастотными цепями.

В бумажных конденсаторах (рис. 3) диэлектриком служит пропитанная парафином тонкая бумага, а обкладками — фольга. Полоски бумаги вместе с обкладками свертывают в рулон и помещают в картонный или металлический корпус. Чем шире и длиннее обкладки, тем больше емкость конденсатора.

Рис. 3. Бумажные и металлобумажные конденсаторы постоянной емкости

Бумажные конденсаторы применяют главным образом в низкочастотных цепях, а также для блокировки источников питания. Разновидностей конденсаторов с бумажным диэлектриком много. И все имеют в своем обозначении букву Б (Бумажные). Конденсаторы типа БМ (Бумажные Малогабаритные) заключены в металлические трубочки, залитые с торцов специальной смолой.

Конденсаторы КБ имеют картонные цилиндрические корпуса. Конденсаторы типа КБГ-И помещают в фарфоровые корпуса с металлическими торцовыми колпачками, соединенными с обкладками, от которых отходят узкие выводные лепестки.

Конденсаторы емкостью до нескольких микрофарад выпускают в металлических корпусах. К ним относятся конденсаторы типов КБГ-МП, КБГ-МН, КБГТ. В одном корпусе их может быть два-три.

Диэлектриком конденсаторов типа МБМ (Металлобумажный Малогабаритный) служит лакированная конденсаторная бумага, а обкладками — слои металла толщиной меньше микрона, нанесенные на одну сторону бумаги. Характерная особенность конденсаторов этого типа — способность самовосстанавливаться после электрического пробоя диэлектрика.

Особую группу конденсаторов постоянной емкости составляют электролитические (рис. 4).

Рис. 4. Электролитические конденсаторы

По внутреннему устройству электролитический конденсатор несколько напоминает бумажный. В нем имеются две ленты из алюминиевой фольги. Поверхность одной из них покрыта тончайшим слоем окиси. Между алюминиевыми лентами проложена лента из пористой бумаги, пропитанной специальной густой жидкостью — электролитом. Эту четырехслойную полосу скатывают в рулон и помещают в алюминиевый цилиндрический стакан или патрончик.

Диэлектриком конденсатора служит слой окиси. Положительной обкладкой (анодом) является та лента, которая имеет слой окиси. Она соединяется с изолированным от корпуса лепестком. Вторая, отрицательная обкладка (катод) бумага, пропитанная электролитом через ленту, на которой нет слоя окиси, соединяется с металл веским корпусом. Таким образом, корпус является выводом отрицательной, а изолированный от него лепесток — выводом положительной обкладки электролитического конденсатора. Так, в частности, устроены конденсаторы типов КЭ, К50-3. Конденсаторы КЭ-2 отличаются от конденсаторов типов КЭ только пластмассовой втулкой с резьбой и гайкой для крепления на панели. Алюминиевые корпуса конденсаторов К50-3 имеют форму патрончика диаметром 4,5 – 6 и длиной 15 20 мм. Выводы — проволочные. Аналогично устроены и конденсаторы типа К50-6. Но у них выводы электродов (обкладок) изолированы от корпусов.

На принципиальных схемах электролитические конденсаторы изображают так же, как и другие конденсаторы постоянной емкости, — двумя « черточками, но возле положительной обкладки ставят знак « + » .

Электролитические конденсаторы обладают большими емкостями — от долей до нескольких тысяч микрофарад. Они предназначены для работы в цепях с пульсирующими токами, например, в фильтрах выпрямителей переменного тока, для связи между низкочастотными цепями. При этом отрицательный электрод конденсатора соединяют с отрицательным полюсом цепи, а положительный — с ее положительным полюсом. При несоблюдении полярности включения электролитический конденсатор может выйти из строя.

Номинальные емкости электролитических конденсаторов пишут на их корпусах. Фактическая емкость может быть значительно больше номинальной.

Важнейшей характеристикой любого конденсатора, кроме емкости, является также его номинальное напряжение, т. е. то напряжение, при котором конденсатор может длительное время работать, не утрачивая свои свойства. Это напряжение зависит от свойств и толщины слоя диэлектрика конденсатора. Керамические, слюдяные, бумажные и металлобумажные конденсаторы различных типов рассчитаны на номинальные напряжения от 150 до 1000 В и более.

Электролитические конденсаторы выпускают на номинальные напряжения от нескольких вольт до 30 – 50 В и от 150 до 450 – 500 В. В связи с этим их подразделяют на две группы: низковольтные и высоковольтные. Конденсаторы первой группы используют в цепях со сравнительно небольшим напряжением, а конденсаторы второй группы — в цепях с относительно высоким напряжением.

Подбирая конденсаторы для своих конструкции, всегда обращай внимание на их номинальные напряжения. В цепи с меньшим напряжением, чем номинальное, конденсаторы включать можно, но в цепи с напряжением, превышающим номинальное, их включать нельзя. Если на обкладках конденсатора окажется напряжение, превышающее его номинальное напряжение, то диэлектрик пробьется. Пробитый конденсатор непригоден для работы.

Теперь о конденсаторах переменной емкости.

Устройство простейшего конденсатора переменной емкости показано на рис. 5. Одна его обкладка — статор неподвижна. Вторая ротор — скреплена с осью. При вращении оси площадь перекрытия обкладок, а вместе с нею и емкость конденсатора изменяются.

Рис. 5. Простейший конденсатор переменной емкости

Конденсаторы переменной емкости, применяемые в настраиваемых колебательных контурах приемников, состоят из двух групп пластин (рис. 6, а), сделанных из листового алюминия или латуни. Пластины ротора соединены осью. Статорные пластины также соединены и изолированы от ротора. При вращении оси пластины статорной группы постепенно входят в воздушные зазоры между пластинами роторной группы, отчего емкость конденсатора плавно изменяется. Когда пластины ротора полностью выведены из зазоров между пластинами статора, емкость конденсатора наименьшая; ее называют начальной емкостью конденсатора. Когда роторные пластины полностью введены между пластинами статора, емкость конденсатора будет наибольшей, т. е. максимальной для данного конденсатора. Максимальная емкость конденсатора будет тем больше, чем больше в нем пластин и чем меньше расстояние между подвижными и неподвижными пластинами.

В конденсаторах, показанных на рис. 5 и 6, а, диэлектриком служит воздух. В малогабаритных же конденсаторах переменной емкости (рис. 6, б) диэлектриком может быть бумага, пластмассовые пленки, керамика. Такие конденсаторы называют конденсаторами переменной емкости с твердым диэлектриком. При меньших габаритах, чем конденсаторы с воздушным диэлектриком, они могут иметь значительные максимальные емкости. Именно такие конденсаторы и применяют для настройки колебательных контуров малогабаритных транзисторных приемников.

Рис. 7. Одна из конструкций блока конденсаторов переменной емкости

Одиночные конденсаторы и блоки конденсаторов переменной емкости с воздушным диэлектриком требуют к себе бережного отношения. Даже незначительное искривление или иное повреждение пластин приводит к замыканию между ними. Исправление же пластин конденсатора — дело сложное.

К числу конденсаторов с твердым диэлектриком относятся и подстроечные конденсаторы, являющиеся разновидностью конденсаторов переменной емкости. Чаще всего такие конденсаторы используют для подстройки контуров в резонанс, поэтому их называют подстроечными. Конструкции наиболее распространенных подстроечных конденсаторов показаны на рис. 8. Каждый из них состоит из сравнительно массивного керамического основания и тонкого керамического диска. На поверхность основания (под диском) и на диск нанесены в виде секторов металлические слои, являющиеся обкладками конденсатора. При вращении диска вокруг оси изменяется площадь перекрытия секторов-обкладок, изменяется емкость конденсатора.

Емкость подстроечных конденсаторов указывают на их корпусах в виде дробного числа, где числитель наименьшая, а знаменатель наибольшая емкость данного конденсатора. Если, например, на конденсаторе указано 6/30, то это значит, что наименьшая его емкость 6 пФ, а наибольшая 30 пФ. Подстроечные конденсаторы обычно имеют наименьшую емкость 2 – 5 пФ, а наибольшую до 100 – 150 пФ. Некоторые из них, например КПК-2, можно использовать в качестве конденсаторов переменной емкости для настройки простых одноконтурных приемников.

Конденсаторы, как и резисторы, можно соединять параллельно или последовательно. К соединению конденсаторов прибегают чаще всего в тех случаях, когда под руками нет конденсатора нужного номинала, но имеются другие, из которых можно составить необходимую емкость. Если соединить конденсаторы параллельно (рис. 8, а), то их общая емкость будет равна сумме емкостей всех соединенных конденсаторов, т. е.

Собщ = С1 + С2 + С3 и т. д.

Так, например, если С1 = 33 пФ и С2 = 47 пФ, то общая емкость этих двух конденсаторов будет: Собщ = 33 + 47 = 80 пФ. При последовательном соединении конденсаторов (рис. 8, б) их общая емкость всегда меньше наименьшей емкости, включенной в цепочку. Она подсчитывается по формуле

Собщ = С1 · С2/(С1 + С2)

Например, допустим, что С1 = 220 пФ, а С2 = 330 пФ; тогда Собщ = 220 · 330/(220 + 330) = 132 пФ. Когда соединяют последовательно два конденсатора одинаковой емкости, их общая емкость будет вдвое меньше емкости каждого из них.

Рис. 8. Параллельное (а) и последовательность (б) соединения конденсаторов

Конденсатор

Основа конструкции конденсатора - две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик

Слева - конденсаторы для поверхностного монтажа; справа - конденсаторы для объёмного монтажа; сверху - керамические; снизу - электролитические.

Различные конденсаторы для объёмного монтажа

Свойства конденсатора

Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течет, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора.

где - мнимая единица , - частота протекающего синусоидального тока, - ёмкость конденсатора. Отсюда также следует, что реактивное сопротивление конденсатора равно: . Для постоянного тока частота равна нулю, следовательно, реактивное сопротивление конденсатора бесконечно (в идеальном случае).

На электрических принципиальных схемах номинальная ёмкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1 мкФ = 10 6 пФ) и пикофарадах, но нередко и в нанофарадах. При ёмкости не более 0,01 мкФ, ёмкость конденсатора указывают в пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу измерения, т.е. постфикс «пФ» опускают. При обозначении номинала ёмкости в других единицах указывают единицу измерения (пикоФарад). Для , а также для высоковольтных конденсаторов на схемах, после обозначения номинала ёмкости, указывают их максимальное рабочее напряжение в вольтах (В) или киловольтах (кВ). Например так: «10 мк x 10 В». Для указывают диапазон изменения ёмкости, например так: «10 – 180». В настоящее время изготавливаются конденсаторы с номинальными ёмкостями из десятичнологарифмических рядов значений Е3, Е6, Е12, Е24 , т.е. на одну декаду приходится 3, 6, 12, 24 значения, так, чтобы значения с соответствующим допуском (разбросом) перекрывали всю декаду.

Характеристики конденсаторов

Основные параметры

Ёмкость

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость . В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = C U ). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад . Однако существуют конденсаторы с ёмкостью до десятков фарад.

Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью каждая, расположенных на расстоянии друг от друга, в системе СИ выражается формулой: , где - относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами (эта формула справедлива, лишь когда много меньше линейных размеров пластин).

Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею.

Если у всех параллельно соединённых конденсаторов расстояние между обкладками и свойства диэлектрика одинаковы, то эти конденсаторы можно представить как один большой конденсатор, разделённый на фрагменты меньшей площади.

При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы. Общая ёмкость батареи последовательно соединённых конденсаторов равна

или

Эта ёмкость всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора, входящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения.

Если площадь обкладок всех конденсаторов, соединённых последовательно, одинакова, то эти конденсаторы можно представить в виде одного большого конденсатора, между обкладками которого находится стопка из пластин диэлектрика всех составляющих его конденсаторов.

Удельная ёмкость

Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью - отношением ёмкости к объёму (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя.

Номинальное напряжение

Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение - значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается.

Полярность

Конденсаторы, разрушившиеся без взрыва из-за температуры и напряжения, не соответствующих рабочим.

Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса.

Взрывы электролитических конденсаторов - довольно распространённое явление. Основной причиной взрывов является перегрев конденсатора, вызываемый в большинстве случаев утечкой или повышением эквивалентного последовательного сопротивления вследствие старения (актуально для импульсных устройств). Для уменьшения повреждений других деталей и травматизма персонала в современных конденсаторах большой ёмкости устанавливают клапан или выполняют насечку на корпусе (часто можно заметить её в форме буквы X, K или Т на торце). При повышении внутреннего давления открывается клапан или корпус разрушается по насечке, испарившийся электролит выходит в виде едкого газа, и давление спадает без взрыва и осколков.

Реальные конденсаторы, помимо ёмкости, обладают также собственными сопротивлением и индуктивностью . С высокой степенью точности, эквивалентную схему реального конденсатора можно представить следующим образом:

Электрическое сопротивление изоляции конденсатора - r

Сопротивление изоляции - это сопротивление конденсатора постоянному току, определяемое соотношением r = U / I ут , где U - напряжение, приложенное к конденсатору, I ут - ток утечки.

Эквивалентное последовательное сопротивление - R

Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, англ. ESR ) обусловлено главным образом электрическим сопротивлением материала обкладок и выводов конденсатора и контакта(-ов) между ними, а также потерями в диэлектрике. Обычно ЭПС возрастает с увеличением частоты тока, протекающего через конденсатор.

В большинстве случаев этим параметром можно пренебречь, но иногда (напр., в случае использования электролитических конденсаторов в фильтрах импульсных блоков питания) достаточно малое его значение может быть жизненно важным для надёжности устройства (см., напр., Capacitor plague(англ.) ).

Эквивалентная последовательная индуктивность - L

Эквивалентная последовательная индуктивность обусловлена, в основном, собственной индуктивностью обкладок и выводов конденсатора. На низких частотах (до единиц килогерц) обычно не учитывается в силу своей незначительности.

Тангенс угла потерь

Тангенс угла потерь - отношение мнимой и вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости.

Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)

ТКЕ - относительное изменению емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (Кельвина). Таким образом значение ёмкости от температуры представляется линейной формулой:

где ΔT - увеличение температуры в °C или °К относительно нормальных условий, при которых специфицировано значение ёмкости. TKE применяется для характеристики конденсаторов со значительной линейной зависимостью ёмкости от температуры. Однако ТКЕ определяется не для всех типов конденсаторов. Конденсаторы, имеющие нелинейную зависимость емкости от температуры, и конденсаторы с большими уходами емкости от воздействия температуры окружающей среды в обозначении имеют указание на относительное изменение емкости в рабочем диапазоне температур.

Диэлектрическое поглощение

Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путём подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то мы увидим, что напряжение медленно повышается. Это явление получило название диэлектрическое поглощение или

В повседневной жизни каждый человек пользуется преобразователями напряжения, адаптерами и блоками питания. Но, мало кто задумывается, что главную функцию в перечисленных устройствах выполняют конденсаторы. Его в народе еще называют «электролитами». Их главной особенностью являются небольшие габариты и способность накапливать заряд до уровня своей емкости.

В области радиотехники и электрики конденсатором электролитическим называют элемент с оболочкой диэлектрика, сделанной из оксида металла, называемым анодом, и внутренней емкостью для накопления заряда, называемой катодом. За счет такого свойства они имеют широкое применение в электротехнических приборах и радиоустройствах. Конденсаторы присутствуют в схемах радиоприемников, телевизоров, стиральных машин, кондиционеров, компьютерной техники и во многих других приборах.

История появления и развития

В 1875 году ученый из Франции Eugène Adrien Ducretet открыл электрохимический процесс в некоторых металлах. Образцами исследования стали тантал, ниобий, цинк, титан, кадмий, алюминий, сурьма и другие. Указанные образцы употреблялись в виде анода (положительного полюса средства питания). Под действием электрического поля на их поверхностями появлялся слой оксида, имеющий вентильные характеристики.

В 1896 году ученый Карол Поллак направил в бюро по выдаче патентов заявку на придумывание конденсатора. Он доказал собственным элементом, что электрохимические процессы должны обладать определенной полярностью на границе металла с диэлектриком для формирования оксидного образования. Несоблюдение такой полярности приводит к диэлектрическим потерям и короткому замыканию.

В России длительное время считалось изготовление электролитических конденсаторов экономически не выгодным. Хотя в научных изданиях было много доводов, какие можно применить технологии для наладки производства. Первые серьезные наработки в вопросе выпуска электролитических конденсаторов появились в нашем государстве в 1931 году. Их емкость была заполнена жидким электролитом. Сегодня производство данных элементов поставлено на широкий поток. Изготовлением электролитических конденсаторов занимаются многие фирмы с мировым именем.

Варианты конденсаторов по применению

Как известно из школьной программы физики, конденсаторы – это полярные приспособления. Они начинают функционировать при направлении тока в одном направлении. Поэтому на практике их включают в схемы с цепями неизменного или пульсирующего напряжения.

Применение в цепях неизменного напряжения

Свойства конденсатора такой конструкции используют:

1. для накопления электрической энергии в импульсных генераторах, импульсных источниках света, а также для намагничивания магнитотвердых элементов в процессе физических опытов;
2. для поднятия тока до определенной отметки в сварочных агрегатах, рентгеновских установках и приборах для копирования;
3. для точной работы схем аналоговой памяти или аналоговой развертки;
4. для образования инструмента питания в электронных приборах и электрических приводах.

В цепях неизменного напряжения с пульсирующим наложением

Характеристики конденсаторов в цепях постоянного напряжения с пульсирующим наложением применяют:

1. для создания полосовых фильтрующих участков совместно с резисторами и катушками индуктивности;
2. для шунтирования элементов схемы электронного типа по меняющемуся току;
3. для соединения участков цепи по переменному току с элементами, функционирующими на постоянной составляющей;
4. для генерации пилообразного и прямоугольного напряжения в схемах релаксационного типа генератора;
5. для выпрямления напряжения в выпрямителях.

Назначение в схемах изменяемого напряжения

Для схем переменного тока производителями конденсаторов созданы элементы, имеющие неполярную емкость. В своей конструкции они имеют дополнительные элементы и увеличенные габариты. Они бывают разной ёмкости, наполненной концентрированными щелочными веществами и кислотами.

Они применяются:

1. Для подъема качества электрической энергии и увеличения коэффициента мощности. Например, алюминиевые электролитические конденсаторы снижают уровень реактивной составляющей, что повышает коэффициент мощности до 0,999;
2. В инверторных схемах и устройствах с выпрямителями на тиристорах для уменьшения влияния магнитных полей;
3. Для улучшения пусковой способности двигателя асинхронного типа. Практически все пусковые схемы однофазных электродвигателей содержат конденсаторы.

По способу заполнения переменный конденсатор делится на виды:

• с жидкостным диэлектриком;
• с сухим наполнением;
• с оксидными полупроводниковыми параметрами конденсаторов;
• оксидно-металлического исполнения.

Анод электролитических конденсаторов изготавливается из фольги алюминия, ниобия или тантала. Конденсатор с переменной емкостью оксидно-полупроводникового вида имеет катод в виде шара полупроводника, нанесенного на оксидный слой.

Конструкция конденсаторов

Разного типа и размеров конденсаторы сделаны из двух элементов – это обкладки и емкость (расстояние между обложками), заполненное диэлектрическим веществом. Емкость считается по формуле:

C = ee0S/d, где:

• S – значение площади обкладки;
• d – значение расстояния между пластинками;
• e0 –электрическая составляющая, устанавливающая напряженность электрического поля вакуумного пространства;
• е – диэлектрическая проницаемость.

Особенность электролитических конденсаторов заключается в том, что они содержат слой электролитического вещества между двумя обложками из фольги, где одна из них покрыта пленкой полупроводникового оксида. Такие электролиты имеют внутри обкладки, сложены вместе с разделяющим бумажным слоем, пропитанным электролитом. От ее толщины зависит емкость конденсатора. Верхний шар покрыт также разделительным бумажным слоем. Все в комплекте свернуто «в трубочку» и находится в металлическом корпусе.

По краям фольги припаяны металлические пластинки в виде контактов. Они предназначены для соединения с другими элементами схемы. Причем вывод с положительным потенциалом покрыт оксидным шаром. Функцию катода выполняет слой электролита, соединенный со второй обкладкой.

С помощью электрохимической коррозии поверхности обкладки (рифление) в процессе изготовления увеличивают площадь обкладки. С помощью такой технологии создаются конденсаторы большой емкости.

Обычно рассматриваемый элемент безаварийно функционирует при нормальной температуре и неискаженном напряжении. Например, при увеличении напряжения выше нормы происходит образование нового слоя оксидов, сопровождаемое выделением тепла и газообразованием. В результате давление в корпусе резко возрастает, и его прочность не в силах справиться с такой ёмкостью. Это может привести к взрыву и разрушению других элементов цепи.

Многие фирмы изготавливают конденсаторы с защитной мембраной. Она разламывается под действием образования газов и блокирует взрыв. Маркировка таких конденсаторов заключается в нанесении насечки в виде буквы «Т», «Y» или знака «+».

Дешифрование цифр и букв на поверхности изделия

Для правильной расшифровки обозначений на корпусе разных элементов требуется знать единицы измерения. Для конденсаторов следует запомнить, что емкость измеряется в фарадах (Ф). Она имеет такие соотношения:

• 1мкФ (микрофарад)F=10¯⁶F;
• 1мФ (миллифарад)F=10¯³F;
• n(нанофарад)F=10¯⁹;
• p(пикофарад)F=10¯¹²F.

Маркировка конденсаторов больших параметров указывается прямо на корпусе элемента. В некоторых конструкциях надписи имеют разные обозначения. В таких случаях лучше ориентироваться по значениям, указанным выше.

На некоторых модификациях маркировка нанесена заглавными буквами. Например, вместо 1мФ стоит МF. Также можно встретить, что маркировка содержит набор букв fd, что означает фарад. Кроме этого в шифре содержится информация, допускающая отклонение от номинала в процентном соотношении. Например, если маркировка содержит 6000uF + 50%-70%, то следует понимать, что это отличается от заданного номинала на 50%-70%. То есть можно применять конденсатор на 9000uF или на 1800uF. Если проценты отсутствуют, то требуется найти букву. Обычно она выглядит отдельным от емкости обозначением. Каждая буква допускает отклонение от номинала.

После определения номинала и разрешенной погрешности нужно перейти к определению значения напряжения. Оно обозначается цифрами совместно с буквами, такими как V, VDC, WV или VDCW. Обозначение WV означает рабочее напряжение. Цифры указывают на максимальные разрешенные допуски.

Важно знать! Если на поверхности нет значения, указывающего номинал напряжения, то такие конденсаторы можно применять в низковольтных цепях схемы. Также нужно запомнить, что конденсаторы, работающие на переменном напряжении, нельзя использовать в схемах постоянного напряжения, и наоборот.

Для определения полярности выводов на корпусе нанесены знаки «+» и «–». Если их нет, то конденсатор подключается в цепь любой стороной.

Цифровая расшифровка

Цифры на корпусе имеют собственную расшифровку. Когда указаны только две цифры и одна буква, то сочетание цифр указывают на емкость. Все остальные кодировки нужно понимать с нестандартным подходом. Они в основном зависят от конструкции элемента.

Третья цифра является множителем нуля. Поэтому расшифровка выполняется по конечной цифре. Если она находится в пределе от 0 и до 6, то к первым цифрам прибавляются нули в числе указанной третьей цифры. Например, 373 означает 37000.

Когда последняя цифра выходит за предел 0-6, например, стоит 8, то первая цифра должна умножиться на 0,01. Таким образом, шифр 378 обозначает 0,37. Когда в конце стоит цифра 9, то сочетание первых двух цифр умножается на 0,1. Обозначение 379 нужно читать как 3,7.

Когда из сочетания цифр с емкостью все понятно, то нужно знать единицу измерения.

Важно помнить! Маленькие конденсаторы измеряются в пикофарадах, а большие элементы – в микрофарадах.

Буквенная кодировка

Букву R в первых двух символах следует понимать под обозначением запятой, применяемой в обозначении десятичной дроби. Например, шифр 4R1 читается как 4,1 пФ. Если в маркировке содержаться буквы p, n или u, то их тоже следует менять на запятую. Например, n61 означает 0,61 нано фарад.

Смешанная маркировка

В такой код на корпусе конденсатора входят буквы и цифры, чередуя друг друга. Обычно это наносится по схеме «буква – цифра – буква». Первая буква указывает на рабочую температуру надежного состояния конденсатора. Вторая цифра – это предел допустимой температуры.

Третья буква означает изменение емкости в пределе от минимальной температуры и до максимальной допустимой температуры. Если стоит буква «А», то это точный показатель. Его погрешность равна 0,1%. При наличии буквы «V» показатель емкости колеблется в пределе 22%-82%. Очень часто встречаются конденсаторы с буквой «R», что означает 15% отклонения емкости от изменения температуры.

Изменение параметров в процессе эксплуатации

Чтобы понимать, какие хорошие конденсаторы, а какие нет, нужно знать общие характеристики, и помнить, как параметры зависят друг от друга. Например, способность в рабочем режиме кпе выделять газы требует при монтаже схемы создавать запас допустимого напряжения в пределе 0,5-0,6 его значения. Особенно это важно, когда схема функционирует в среде с повышенным температурным режимом.

С использованием конденсатора в цепях меняющегося тока обязательно учитывается зависимость от рабочей частоты. Обычно рабочая частота меняющегося напряжения не должна отклоняться от 50 Гц. Для более высоких частот нужно включать конденсаторы с более низким допустимым напряжением. В обратном случае будет появляться сильный нагрев диэлектрика, что приведет к разрыву корпуса.

Элементы с большой емкостью и малыми значениями токов утечки способны длительно сохранять заряд. Поэтому важно для безопасности параллельно подключать резистивный элемент с сопротивлением не меньше 1 Мом и мощностью 0,5 Вт.

Электрические конденсаторы служат для накопления электрической энергии. Без них не будет функционировать ни одна схема радио,- и телевизионного приемника. Появление микросхем изменила функцию конденсаторов. Многие из них изготавливаются в интегрированном виде.

Видео