Маркировка конденсаторов. Что такое конденсатор

Конденсаторы вакуумные (обкладки без диэлектрика находятся в вакууме).

Конденсаторы с газообразным диэлектриком.

Конденсаторы с жидким диэлектриком.

Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок.

Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные - бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок.

Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов прежде всего своей огромной удельной ёмкостью. В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металле, являющийся анодом. Вторая обкладка (катод) - это или электролит (в электролитических конденсаторах) или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесённый непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги.
Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения своей ёмкости:

Постоянные конденсаторы - основной класс конденсаторов, не меняющие своей ёмкости (кроме как в течение срока службы).

Переменные конденсаторы - конденсаторы, которые допускают изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление ёмкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды, варикапы) и температурой (термоконденсаторы). Применяются, например, в радиоприемниках для перестройки частоты резонансного контура.

Подстроечные конденсаторы - конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение ёмкости.

зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят наиболее распространенные низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляюшие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы.

В магазинах электротехники конденсаторы чаще всего можно увидеть в виде цилиндра, внутри которого располагается множество лент из пластин и диэлектриков.

Конденсатор – что такое?

Конденсатор – это часть электрической цепи, состоящей из 2 электродов, которые способны накапливать, сосредотачивать или передавать ток другим устройствам. Конструктивно электроды представляют собой обкладки конденсатора, у которых заряды противоположны. Для того чтобы устройство работало, между пластинами размещен диэлектрик – элемент, не позволяющий двум пластинам соприкоснуться друг с другом.

Определение конденсатора произошло от латинского слова «condenso», что обозначает уплотнение, сосредоточение.

Элементы для пайки емкостей служат для транспортировки, измерения, перенаправления и передачи электроэнергии и сигналов.

Где применяются конденсаторы

Каждый начинающий радиолюбитель часто задается вопросом: для чего нужен конденсатор? Новички не понимают, зачем он нужен, и ошибочно считают, что он может полноценно заменить батарейку или блок питания.

В комплектацию всех радиоустройств входят конденсаторы, транзисторы и резисторы. Данные элементы составляют кастет платы или целый модуль в схемах со статичными значениями, что делает его базой для любого электроприбора, начиная от небольшого утюга и заканчивая промышленными приборами.

Применение конденсаторов чаще всего наблюдается в качестве:

Фильтрующего элемента для ВЧ и НЧ помех;
Нивелира резких скачков переменного тока, а так для статики и напряжения на конденсаторе;
Выравнивателя пульсаций напряжения.

Назначение конденсатора и его функции определяются целями использования:

Общего назначения. Это конденсатор, в конструкции которого присутствуют только низковольтные элементы, расположенные на небольших платах, например, таких приборах, как телевизионный пульт, радио, чайник и т.д.;
Высоковольтные. Конденсатор в цепи постоянного тока поддерживает производственные и технические системы, находящиеся под высоким напряжением;
Импульсные. Емкостный формирует резкий скачок напряжения и подает его на принимающую панель устройства;
Пусковые. Используются для пайки в тех устройствах, которые предназначены для запуска, включения/выключения приборов, например, пульт или блок управления;
Помехоподавляющие. Конденсатор в цепи переменного тока используется в спутниковом, телевизионном и военном оборудовании.

Типы конденсаторов

Устройство конденсатора определятся видом диэлектрика. Он бывает следующих типов:

Жидкий. Диэлектрик в жидком виде встречается нечасто, в основном, такой вид используется в промышленности или для радиоустройств;
Вакуумный. Диэлектрик в конденсаторе отсутствует, а вместо него расположены пластины в герметичном корпусе;
Газообразный. Основан на взаимодействии химических реакций и применяется для производства холодильного оборудования, производственных линий и установок;
Электролитический конденсатор. Принцип основан на взаимодействии металлического анода и электрода (катода). Оксидный слой анода является полупроводниковой частью, вследствие чего такой вид элемента схемы считается наиболее производительным;
Органический. Диэлектрик может быть бумажным, пленочным и т.д. Он не способен накапливать, а только лишь слегка нивелировать скачки напряжения;
Комбинированный. Сюда относятся металло-бумажные, бумажно-пленочные и т.д. Коэффициент полезного действия увеличивается, если в состав диэлектрика входит металлическая составляющая;
Неорганический. Выделяют наиболее распространенные: стеклянный и керамический. Их использование обуславливается долговечностью и прочностью;
Комбинированный неорганический. Стекло-пленочный, а также стекло-эмалевый, которые выделяются отличными нивелирующими свойствами.

Виды конденсаторов

Элементы радиоплаты различаются по типу изменения емкости:

Постоянные. Элементы поддерживают постоянную емкость напряжения до конца всего срока годности. Данный вид наиболее распространенный и универсальный, так как он подходит для того, чтобы сделать любой тип устройств;
Переменные. Обладают способностью к перемене объема емкости при использовании реостата, варикапы или при изменении температурного режима. Механический метод с помощью реостата предполагает впайку дополнительного элемента на плату, в то время как при использовании вариконды изменяется лишь объем поступающего напряжения;
Подстроечные. Являются наиболее гибким видом конденсатора, с помощью которого можно максимально быстро и эффективно увеличить пропускную способность системы при минимальных реконструкциях.

Принцип работы конденсатора

Рассмотрим, как работает конденсатор при подключении к источнику питания:

Накопление заряда. При подключении к сети ток направляется на электролиты;
Заряженные частицы распределяются на пластину, согласно своему заряду: отрицательные – на электроны, а положительные – на ионы;
Диэлектрик служит преградой между двумя пластинами и не дает частицам смешиваться.

Определение емкости конденсатора проводится путем расчета отношения заряда одного проводника к его потенциальной мощности.

Важно! Диэлектрик также способен снимать образовавшееся напряжение на конденсаторе в процессе работы устройства.

Характеристики конденсатора

Характеристики условно делятся на пункты:

Величина отклонения. В обязательном порядке каждый конденсатор перед тем, как попасть в магазин, проходит ряд тестов на производственной линии. После проведения испытаний каждой модели производитель указывает диапазон допустимых отклонений от исходного значения;
Величина напряжения. В основном используются элементы напряжением 12 или 220 Вольт, но также существуют и на 5, 50, 110, 380, 660, 1000 и более Вольт. Для того чтобы избежать перегорания конденсатора, пробоя диэлектрика, лучше всего приобретать элемент с запасом напряжения;
Допустимая температура. Данный параметр очень важен для мелких устройств, работающих от сети 220 Вольт. Как правило, чем больше напряжение, тем выше уровень допустимой температуры для работы. Температурные параметры измеряются с помощью электронного термометра;
Наличие постоянного или переменного тока. Пожалуй, один из важнейших параметров, так как от него полностью зависит производительность проектируемого оборудования;
Количество фаз. В зависимости от сложности устройства, можно использовать однофазные или трехфазные конденсаторы. Для подключения элемента напрямую достаточно однофазного, а если плата представляет собой «город», то рекомендуется использовать трехфазный, так как он более плавно распределяет нагрузку.

От чего зависит емкость

Емкость конденсатора зависит от типа диэлектрика и указывается на корпусе, измеряется в мкФ или uF. Варьируется в диапазоне от 0 до 9 999 пФ в пикофарадах, тогда как в микрофарадах – от 10 000 пФ до 9 999 мкФ. Эти характеристики прописаны в государственном стандарте ГОСТ 2.702.

Обратите внимание! Чем больше емкость электролитов, тем больше время зарядки, и тем больше заряда устройство сможет передать.

Чем больше величина нагрузки или мощность прибора, тем короче время разряда. При этом сопротивление играет немаловажную роль, так как от него зависит количество исходящего электропотока.

Главной частью конденсатора является диэлектрик. Он обладает следующим рядом характеристик, влияющих на мощность оборудования:

Сопротивление изоляции. Сюда относится как внутренняя, так и внешняя изоляция, сделанная из полимеров;
Максимальное напряжение. Диэлектрик определяет, какое напряжение конденсатор способен накапливать или передавать;
Величина потерь энергии. Зависит от конфигурации диэлектрика и его характеристик. Как правило, энергия рассеивается постепенно или резкими импульсами;
Уровень емкости. Для того чтобы конденсатор мог сохранять небольшое количество энергии непродолжительное время, необходимо, чтобы он поддерживал постоянный объем емкости. Чаще всего, он выходит из строя именно по причине невозможности пропускать заданный объем напряжения;

Полезно знать! Аббревиатура «АС», расположенная на корпусе элемента, обозначает переменное напряжение. Накопленное напряжение на конденсаторе невозможно использовать или передавать – его необходимо гасить.

Свойства конденсатора

Конденсатор выступает в роли:

Индуктивной катушки. Рассмотрим на примере обычной лампочки: она загорится, только если подключить ее напрямую к источнику переменного тока. Отсюда вытекает правило, что чем больше емкость, тем мощнее будет световой поток лампочки;
Накопителя заряда. Свойства позволяют ему быстро заряжаться и разряжаться, тем самым создавая сильнейший импульс с малым сопротивлением. Применяется для производства различных видов ускорителей, лазерных установок, электровспышек и т.д.;
Аккумулятора полученного заряда. Мощный элемент способен продолжительное время сохранять полученную порцию тока, при этом он может служить адаптером для других устройств. По сравнению с аккумуляторной батареей, конденсатор теряет часть заряда по истечению времени, а также не способен вместить большой объем электричества, например, для промышленных масштабов;
Зарядки электродвигателя. Подключение осуществляется через третий вывод (рабочее напряжение конденсатора на 380 или 220 Вольт). Благодаря новой технологии, стало возможным использование трехфазного двигателя (с поворотом фазы на 90 градусов), при использовании стандартной сети;
Устройства-компенсатора. Используется в промышленности для стабилизации реактивной энергии: часть поступающей мощности растворяется и на выходе из конденсатора корректируется под определенный объем.

Видео

Содержание:

Конденсатор - это прибор, способный накапливать электрические заряды. Он применяется в электрических и электронных схемах повсюду. Современная промышленность выпускает множество их видов, которые отличаются друг от друга по разным параметрам. Это емкость, принцип работы, тип разделения зарядных проводников, диапазон допустимых напряжений, компоновка, материалы, из которых устройство изготовлено.

Любой конденсатор состоит из двух проводников, разделенных изолятором. Так как зарядка конденсатора - это занесение заряженных частиц на эти проводники, причем на один проводник одного знака, на другой - другого, а удерживаться будут заряды силой взаимного притяжения, то эффективность и зависит от этой силы. Она тем больше, чем ближе проводники друг к другу и чем больше их «почти соприкасающаяся» площадь. Разделяющая проводники среда тоже дает свой вклад. Среда эта - диэлектрик, имеющий определенную диэлектрическую проницаемость.

d – толщина диэлектрика, разделяющего металлические пластины

Емкость конденсатора вычисляется по формуле

Где S – площадь обкладок, d – толщина диэлектрика (расстояние между обкладками), а ε – проницаемость используемого диэлектрика относительно вакуума, диэлектрическая проницаемость которого известна довольно точно:

Здесь она выражена через другие единицы системы СИ. Здесь и метры в кубе в знаменателе, и секунды в четвертой степени в числителе, что произошло от формулы, где в знаменателе стоит скорость света в квадрате. И тогда емкость C и измеряется в фарадах.

И из формулы видно, что емкость и зависит как раз от площади обкладок, расстояния между ними (которое заполнено диэлектриком) и материала диэлектрика, значение ε которого можно найти по таблицам. Классификация конденсаторов делается по виду использования, по типу компонент.

Классификация по принципу действия

Самый простой конденсатор еще называется сухим, или твердотельным, потому что все материалы его твердые и самые обыкновенные. Зная описание, его можно изготовить вручную. В качестве изолятора берется бумажная лента, но так как она гигроскопична, то ее пропитывают парафином или маслом.

Сухие конденсаторы

Сухие или мокрые конденсаторы - зависит от заполнения между пластинами. Для сухих это может быть бумага, керамика, слюда, пластик (полиэстер, полипропилен). У каждого из диэлектриков свои физические свойства. Наиболее прочные (керамика) хорошо сопротивляются физическому разрушению и пробою. Пластичные допускают наносить обкладки в виде металлического напыления прямо на слой диэлектрика, что позволяет идти по пути микроминиатюризации.

Типы конденсаторов с другими состояниями компонентов

Кроме твердого диэлектрика, бывают конденсаторы с диэлектриком:

жидким;

газообразным (наполненные инертным газом для защиты электродов);

вакуумным;

воздушным.

Однако и электроды бывают не всегда вполне твердые.

Электролитические конденсаторы

Для создания большой емкости используют методы сближения обкладок не механические, а химические. Пользуясь тем, что алюминиевая фольга всегда на воздухе покрывается слоем диэлектрика (Al 2 O 3), к алюминиевому электроду вплотную приближают жидкий электрод в виде электролита. Тогда толщина изолирующего промежутка исчисляется атомными расстояниями, и это резко увеличивает емкость.

d – толщина диэлектрика

Так как на нижней поверхности верхней обкладки имеется слой оксида, диэлектрика, то именно его толщину и следует считать d - толщиной диэлектрика. Нижним электродом является нижняя обкладка, плюс слой электролита, которым пропитана бумага.

В электролитических конденсаторах заряд создается не только свободными электронами металла, но еще и ионами электролита. Поэтому важна полярность подключения.

Кроме электролитических конденсаторов, использующих в качестве изоляции оксид металла, по такому же принципу работают полевые (МОП) транзисторы. Они в электронных схемах часто и используются в качестве конденсаторов, имеющих емкость в несколько десятков нанофарад.

Еще аналогичный принцип работы у конденсаторов оксидно-полупроводниковых, в которых вместо жидкого электролита - твердый полупроводник. Но этими типами не исчерпываются конденсаторы, слой диэлектрика у которых имеет микроскопическую толщину.

Суперконденсатор, или ионистор

Возможен еще вариант создания слоя, играющего роль диэлектрика, в жидком электролите. Если залить им поверхность некоего пористого проводника (активированного угля), то при наличии на нем заряда ионы противоположного знака из электролита «прилипают» к проводнику. А к ним, в свою очередь, присоединяются другие ионы. И все вместе образует многослойную конструкцию, способную накапливать электрические заряды.

Процессы в жидком электролите особого состава для суперконденсаторов уже напоминают нечто, что происходит в электролитах аккумуляторов. Ионистор и по своим характеристикам приближается к аккумуляторам, кроме того, его зарядка проходит легче и быстрее. И в них в циклах зарядки/разрядки не происходит порчи электродов, как это обычно бывает в аккумуляторах. Ионисторы более надежные, долговечные, и ими как устройствами питания оснащают электротранспортные средства. А пористое вещество электродов дает просто колоссальную площадь поверхности. Вместе с наноскопически малой толщиной изолирующего слоя в электролите это и создает гигантскую емкость суперконденсаторов (ультраконденсаторов) - фарады, десятки и сотни фарад. Выпускается множество различных суперконденсаторов, некоторые по виду не отличаются от аккумуляторов.

Классификация по применению

Большинство конденсаторов изготовляются для использования в отлаженных, настроенных электрических схемах и цепях. Но во многих схемах производится настройка электрических или частотных параметров. Конденсаторы для этой цели очень удобны: можно менять емкость без изменения электрических контактов между обкладками.

По этому признаку конденсаторы бывают постоянными, переменными и подстроечными.

Подстроечные обычно исполняются в миниатюрном виде и предназначены для постоянной работы в схемах после небольшой предварительной оптимизирующей подстройки. Переменные имеют более широкие диапазоны параметров, чтобы проводить систематическую настройку (например, поиск волны в радиоприемнике).

По диапазону напряжений

Диапазон рабочих напряжений - очень важная характеристика конденсатора. В электронных схемах напряжения обычно небольшие. Верхняя граница - около 100 вольт. Но схемы электропитания, различные блоки питания, выпрямители, стабилизаторы приборов требуют установки конденсаторов, которые могли бы выдерживать напряжения до 400–500 вольт - с учетом возможных всплесков, и даже до 1000 вольт.

Но в сетях передачи электроэнергии напряжения бывают гораздо выше. Существуют высоковольтные конденсаторы специального исполнения.

Использование конденсатора вне его диапазона напряжений грозит пробоем. После пробоя устройство становится просто проводником и свои функции выполнять перестает. Особенно это опасно там, где конденсатор устанавливается для развязки схем по току, как отделяющий постоянное напряжение от переменной составляющей. В этом случае пробой грозит той части схемы, куда после этого хлынет постоянное напряжение: могут гореть другие элементы, может быть поражение электрическим током. Для электролитических конденсаторов это явление грозит еще и взрывом.

Слева – до 35 кВ, справа – до 4 кВ

Так как для пробоя на высоком напряжении нужен определенный минимум расстояния между проводниками, обычно для высоковольтного исполнения приборы и выполняются значительными по размерам. Или бывают изготовлены из определенных стойких к пробою материалов: керамические и … метало-бумажные. Разумеется, все в соответствующем по свойствам корпусе.

Маркировка конденсаторов

Существует несколько маркировок. Старая маркировка может состоять из трех или четырех цифр, в этом случае первые две (три) цифры означают мантиссу емкости (в пикофарадах), последняя цифра дает степень множителя-десятки.

Так выглядит трехзначная маркировка конденсаторов (обозначение емкостей)

Как видим, такая маркировка охватывает только емкость конденсаторов.

Кодовая маркировка содержит информацию и о материалах, и о напряжениях, и о допусках.

На больших конденсаторах обозначения располагают прямо на корпусе.

При отсутствии обозначений, касающихся напряжения, это низковольтный прибор. Встречаются условные буквенные обозначения напряжений.

Полярность обозначается «+ -» или канавкой кольцевого вида около минусового вывода. При наличии этого обозначения полярность соблюдать неукоснительно!

В электротехнике и электронике кроме есть ряд других пассивных компонентов. Один из них – конденсатор. Его используют в фильтрах, как накопитель энергии в источниках питания, как компенсатор реактивной мощности, а также в других сферах. В этой статье мы рассмотрим, как работает конденсатор и что это такое вообще.

Определение

Слово конденсатор происходит от латинского «condensatio», что переводится как «накопление». В физике этот термин употребляется для описания целой ниши электротехнических изделий, назначение которых работать как накопитель энергии. Количество накопленной энергии зависит от ёмкости и квадрата напряжения на его обкладках, поделенное на 2. При этом ток через него протекает только в процессе заряда. Но обо всем по порядку.

E=(CU 2)/2

Если сказать по-простому, то конденсатор – это устройство способное накапливать энергию в . В простейшем варианте состоит из двух проводников (обкладок), разделённых диэлектриком. На рисунке ниже вы видите упрощенную схему внешнего устройства плоского конденсатора. Условное обозначение на схеме представляет собой 2 черты высотой в 8 мм, на расстоянии в 1,5 мм друг от друга.

Принцип работы

Теперь, когда мы знаем, как обозначается данный элемент на схемах, нужно рассмотреть принцип работы конденсатора. Когда обкладки конденсатора подключают к источнику питания, электрические заряды от положительного и отрицательного зажима ИП устремляются к обкладкам, скапливаясь на них.

Электрический ток прерывается после заряда конденсатора до номинальной ёмкости, так как между обкладками находится слой диэлектрика он не может протекать постоянно. Когда источник питания отключат, на конденсаторе останутся заряды, а значит и останется напряжение на его выводах.

Заряды, скопившиеся на каждой из обкладок, противоположны. Соответственно та обкладка, что была подключена к плюсовому выводу источника питания – заряжена положительно, а та, что к минусовому – отрицательно. Принцип работы этого изделия основан на притяжении разноименных зарядов в электрической цепи.

Простыми словами конденсатор сохранит ту энергию, которая была передана от источника питания – в этом и кроется его назначение. Однако на практике есть разнообразные потери и утечки.

Интересно! Лейденская банка – это прообраз современных конденсаторов, родившийся на свет в 1745 году. Это устройство было способно накапливать энергию и извлекать искры при замыкании его обкладок. Внешний вид и конструкцию вы видите ниже.

А на рисунке ниже вы видите конструкцию простейшего плоского конденсатора – две обкладки, разделенные диэлектриком:

Так как ёмкость прямо пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между ними – то чтобы увеличить ёмкость, инженеры разработали ряд других форм конденсаторов. Например, свёрнутые в спираль обкладки – так их площадь становилась во много раз больше при тех же габаритных размерах, а также цилиндрические и сферические решения.

Один из законов коммутации гласит, что напряжение на обкладках конденсатора не может изменится скачком, что и иллюстрирует следующая миниатюра.

Виды

Классификация конденсаторов может происходить по различным критериям.

По постоянству ёмкости:

Постоянные.
Переменные. Их ёмкость может изменяться либо вручную оператором (пользователем) устройства, либо под воздействием напряжения (как в варикапах и варикондах).

По полярности прикладываемого напряжения:

Неполярные – могут работать в цепях переменного тока.
Полярные – при подключении напряжения неправильной полярности выходят из строя.

В зависимости от того, где используются эти компоненты, различают разные варианты по материалу:

Основные технические характеристики

Если вы ремонтируете или разрабатываете электронное устройство, вам понадобится подбирать подходящий конденсатор для замены вышедшего из строя. А для этого нужно ознакомиться с основными техническими характеристиками конденсатора, от которых зависит его работа в электрической цепи.

Номинальная емкость. Характеризует основное назначение компонента — какой заряд он может запасать. Основная характеристика измеряется в фарадах [Ф]. Однако такая единица измерения слишком большая, поэтому используют доли:

Милифарады, мФ – 0, 001 Ф (10 -3);
Микрофарады, мкФ – 0, 000 001 Ф (10 -6);
Нанофарады, нФ – 0, 000 000 001 Ф (10 -9);
Пикофарады, пФ – 0, 000 000 000 001 Ф (10 -12).

Номинальное напряжение - это такое напряжение, до которого конденсатор может гарантировано работать в нормальном режиме. При превышении этого значения с большой долей вероятности происходит пробой диэлектрика. Может быть от единиц вольт (для электролитов) и до тысяч вольт (плёнка и керамика). При ремонте эта величина должна быть не ниже, чем у вышедшего из строя, выше – можно!

Допуск отклонения - насколько реальная ёмкость может отличаться от заявленной номинальной. Может достигать 20-30%, но есть и высокоточные модели с допуском до 1% — для применения в цепях, где требуется особая точность.

Температурный коэффициент емкости - этот параметр важен для электролитов. У алюминиевых конденсаторов при понижении температуры понижается ёмкость и увеличивается удельное электрическое сопротивление (в англ. ESR)

ESR – эквивалентное последовательное сопротивление, также важен для электролитов. Простым языком – чем он больше, тем хуже. У вздувшихся кондёров ESR повышается.

В таблице ниже вы видите допустимые значения ESR для различных номинальных емкостей и напряжений.

Где и для чего применяются

Всё же ответим на вопрос «для чего предназначен конденсатор?» с практической точки зрения. Для этого рассмотрим несколько схем.

Самое широкое применение электролитические конденсаторы нашли в качестве уже не раз упомянутого фильтра сетевых пульсаций в блоках питания. На схеме ниже изображено, где именно устанавливается электролит. Чем больше нагрузка – тем большая ёмкость электролита нужна для сглаживания пульсаций.

Следующее место, где применяются конденсаторы – это фильтры высоких и низких частот. Ниже на схеме приведены типовые включения. Таким образом в акустических системах разводят басы, средние и высокие частоты по динамикам без применения активных компонентов.

Балластные блоки питания часто используются для зарядки небольших аккумуляторов и питания маломощных устройств, таких как дешевые светодиодные лампочки, радиоприёмники и прочие. Плёночный конденсатор устанавливается последовательно с питающим устройством, ограничивая ток за счёт своего реактивного сопротивления – в этом и заключается принцип работы такой простой схемы.

Конденсатором называется элемент электрической цепи, служащий в качестве накопителя заряда.

Областей применения этого устройства сейчас много, чем и обусловлен их большой ассортимент. Они различаются по материалам, из которых изготовлены, назначению, диапазону основного параметра. Но главной характеристикой конденсатора является его емкость.

Принцип работы конденсатора

Конструкция

На схемах конденсатор обозначается в виде двух параллельных линий, не связанных между собой:

Это соответствует его простейшей конструкции - двум пластинам (обкладкам), разделенным диэлектриком. Фактическое исполнение этого изделия чаще всего представляет собой завернутые в рулон обкладки с прослойкой диэлектрика или иные причудливые формы, но суть остается той же самой.

Электрическая ёмкость – способность проводника накапливать электрические заряды. Чем больше заряд вмещает проводник при данной разности потенциалов, тем больше ёмкость. Зависимость между зарядом Q и потенциалом φ выражается формулой:

где Q — заряд в кулонах (Кл), φ — потенциал в вольтах (В).

Емкость измеряется в фарадах (Ф), что вы помните еще с уроков физики. На практике чаще встречаются более мелкие единицы: миллифарад (мФ), микрофарад (мкФ), нанофарад (нФ), пикофарад (пФ).

Накопительная способность зависит от геометрических параметров проводника, диэлектрической проницаемости среды, где он находится. Так, для сферы из проводящего материала она будет выражаться формулой:

C=4πεε0R

где ε0-8,854·10^−12 Ф/м, электрическая постоянная, а ε — диэлектрическая проницаемость среды (табличная величина для каждого вещества).

В реальной жизни нам чаще приходится иметь дело не с одним проводником, а с системами таковых. Так, в обычном плоском конденсаторе емкость будет прямо пропорциональна площади пластин и обратно - расстоянию между ними:

C=εε0S/d

ε здесь - диэлектрическая проницаемость прокладки между пластинами.

Емкость параллельных и последовательных систем

Параллельное соединение емкостей представляет собой один большой конденсатор с тем же слоем диэлектрика и суммарной площадью пластин, поэтому общая емкость системы представляет собой сумму таковых у каждого из элементов. Напряжение при параллельном соединении будет одним и тем же, а заряд распределится между элементами схемы.

C=C1+C2+C3

Последовательное соединение конденсаторов характеризуется общим зарядом и распределенным напряжением между элементами. Поэтому суммируется не емкость, а обратная ей величина:

1/C=1/С1+1/С2+1/С3

Из формулы емкости одиночного конденсатора можно вывести, что при одинаковых элементах, соединенных последовательно, их можно представить в виде одного большого с той же площадью обкладки, но с суммарной толщиной диэлектрика.

Реактивное сопротивление

Конденсатор не может проводить постоянный ток, что видно из его конструкции. В такой цепи он может только заряжаться. Зато в цепях переменного тока он прекрасно работает, постоянно перезаряжаясь. Если не ограничения, исходящие из свойств диэлектрика (его можно пробить при превышении предела напряжения), этот элемент заряжался бы бесконечно (т. н. идеальный конденсатор, что-то вроде абсолютно черного тела и идеального газа) в цепи постоянного тока, а ток через него проходить не будет. Проще говоря, сопротивление конденсатора в цепи постоянного тока бесконечно.

При переменном токе ситуация иная: чем выше частота в цепи, тем меньше сопротивление элемента. Такое сопротивление называется реактивным, и оно обратно пропорционально частоте и емкости:

Z=1/2πfC

где f — частота в герцах.

Накопитель энергии

Энергия, запасенная заряженным конденсатором, может быть выражена формулой:

E=(CU^2)/2=(q^2)/2C

где U — напряжение между обкладками, а q — накопленный заряд.

Конденсатор в колебательном контуре

В замкнутом контуре, содержащем катушку и конденсатор, может быть сгенерирован переменный ток.

После зарядки конденсатора он начнет саморазряжаться, давая возрастающий по силе ток. Энергия разряженного конденсатора станет равной нулю, зато магнитная энергия катушки - максимальной. Изменение величины тока вызывает ЭДС самоиндукции катушки, и она по инерции пропустит ток в сторону второй обкладки, пока та полностью не зарядится. В идеальном случае такие колебания бесконечны, а в реальности они быстро затухают. Частота колебаний зависит от параметров как катушки, так и конденсатора:

где L — индуктивность катушки.

Конденсатор может обладать собственной индуктивностью, что можно наблюдать при повышении частоты тока в цепи. В идеальном случае эта величина незначительна, и ей можно пренебречь, но в реальности, когда обкладки представляют собой свернутые пластинки, не считаться с этим параметром нельзя, особенно если речь идет о высоких частотах. В таких случаях конденсатор совмещает в себе две функции, и представляет собой своеобразный колебательный контур с собственной резонансной частотой.

Эксплуатационные характеристики

Помимо указанных выше емкости, собственной индуктивности и энергоемкости, реальные конденсаторы (а не идеальные) обладают еще рядом свойств, которые нужно учитывать при выборе этого элемента для цепи. К ним относятся:

Чтобы понять, откуда берутся потери, необходимо разъяснить, что представляют собой графики синусоидальных тока и напряжения в этом элементе. Когда конденсатор заряжен максимально, ток в его обкладках равен нулю. Соответственно, когда ток максимален, напряжение отсутствует. То есть напряжение и ток сдвинуты по фазе на угол 90 градусов. В идеале конденсатор обладает только реактивной мощностью:

Q=UIsin 90

В реальности же обкладки конденсатора обладают собственным сопротивлением, а часть энергии расходуется на нагрев диэлектрика, что обуславливает ее потери. Чаще всего они незначительны, но иногда ими пренебрегать нельзя. Основной характеристикой этого явления служит тангенс угла диэлектрических потерь, представляющий собой отношение активной мощности (даваемой малыми потерями в диэлектрике) и реактивной. Измерить эту величину можно теоретически, представив реальную емкость в виде эквивалентной схемы замещения - параллельной или последовательной.

Определение тангенса угла диэлектрических потерь

При параллельном соединении величина потерь определяется отношением токов:

tgδ = Ir/Ic = 1/(ωCR)

В случае последовательного соединения угол вычисляется соотношением напряжений:

tgδ = Ur/Uc = ωCR

В реальности для замеров tgδ пользуются прибором, собранным по мостовой схеме. Его применяют для диагностики потерь в изоляции у высоковольтного оборудования. С помощью измерительных мостов можно измерять и другие параметры сетей.

Номинальное напряжение

Этот параметр указывается на маркировке. Он показывает предельную величину напряжения, которое может быть подано на обкладки. Превышение номинала может привести к пробою конденсатора и выходу его из строя. Зависит этот параметр от свойств диэлектрика и его толщины.

Полярность

Некоторые конденсаторы имеют полярность, то есть в схему его необходимо подключать строго определенным образом. Связано это с тем, что в качестве одной из обкладок используется какой-либо электролит, а диэлектриком служит оксидная пленка на другом электроде. При изменении полярности электролит просто разрушает пленку и конденсатор перестает работать.

Температурный коэффициент емкости

Он выражается отношением ΔC/CΔT где ΔT — изменение температуры окружающей среды. Чаще всего эта зависимость линейна и незначительна, но для конденсаторов, работающих в агрессивных условиях, ТКЕ указывается в виде графика.

Выход конденсатора из строя обусловлен двумя основными причинами - пробоем и перегревом. И если в случае пробоя некоторые их виды способны к самовосстановлению, то перегрев со временем приводит к разрушению.

Перегрев обусловлен как внешними причинами (нагреванием соседних элементов схемы), так и внутренними, в частности, последовательным эквивалентным сопротивлением обкладок. В электролитических конденсаторах он приводит к испарению электролита, а в оксиднополупроводниковых - к пробою и химической реакции между танталом и оксидом марганца.

Опасность разрушения в том, что часто оно происходит с вероятностью взрыва корпуса.

Техническое исполнение конденсаторов

Классифицировать конденсаторы можно по нескольким группам. Так, в зависимости от возможности регулировать емкость их разделяют на постоянные, переменные и подстроечные. По своей форме они могут быть цилиндрическими, сферическими и плоскими. Можно делить их по назначению. Но самой распространенной классификацией является таковая по типу диэлектрика.

Бумажные конденсаторы

В качестве диэлектрика используется бумага, очень часто — промасленная. Как правило, такие конденсаторы отличает большой размер, но были варианты и в небольшом исполнении, без промасливания. Используются в качестве стабилизирующих и накопительных устройств, а из бытовой электроники постепенно вытесняются более современными пленочными моделями.

При отсутствии промасливания имеют существенный недостаток - реагируют на влажность воздуха даже при герметичной упаковке. Промокшая бумага увеличивает энергопотери.

Диэлектрик в виде органических пленок

Пленки могут быть выполнены из органических полимеров, таких как:

полиэтилентерифталат;
полиамид;
поликарбонат;
полисульфон;
полипропилен;
полистирол;
фторопласт (политетрафторэтилен).

По сравнению с предыдущими, такие конденсаторы имеют более компактные размеры, не увеличивают диэлектрические потери при увеличении влажности, но многие из них подвергаются риску выхода из строя при перегреве, а те, что этого недостатка лишены, отличаются более высокой стоимостью.

Твердый неорганический диэлектрик

Это может быть слюда, стекло и керамика.

Преимуществом этих конденсаторов считается их стабильность и линейность зависимости емкости от температуры, приложенного напряжения, а у некоторых - даже от радиации. Но иногда сама такая зависимость становится проблемой, и чем она менее выражена, тем дороже изделие.

Оксидный диэлектрик

С ним выпускаются алюминиевые, твердотельные и танталовые конденсаторы. Они имеют полярность, поэтому выходят из строя при неправильном подключении и превышении номинала напряжения. Но при этом они обладают хорошей емкостью, компактны и стабильны в работе. При правильной эксплуатации могут работать около 50 тыс. часов.

Вакуум

Такие устройства представляют собой стеклянную или керамическую колбу с двумя электродами, откуда выкачан воздух. В них практически отсутствуют потери, но малая емкость и хрупкость ограничивают сферу их применения радиостанциями, где величина емкости не так важна, а вот устойчивость к нагреву имеет принципиальное значение.

Двойной электрический слой

Если посмотреть, для чего нужен конденсатор, то можно понять, что этот тип - не совсем он. Скорее, это дополнительный или резервный источник питания, в качестве чего они и используются. Одни категория таких устройств - ионисторы - содержат в себе активированный уголь и слой электролита, другие работают на ионах лития. Емкость этих приборов может составлять до сотен фарад. К их недостаткам можно отнести высокую стоимость и активное сопротивление с токами утечки.

Каким бы ни был конденсатор, есть два обязательным параметра, которые должны быть отражены в маркировке - это его емкость и номинальное напряжение.

Помимо этого, на большинстве из них существует цифро-буквенное обозначение его характеристик. В соответствии с российскими стандартами конденсаторы маркируются четырьмя знаками.

Первая буква К означает «конденсатор», следующая цифра - вид диэлектрика, далее следует указатель назначения в виде буквы; последний значок может означать как тип конструкции, так и номер разработки, это уже зависит от завода-изготовителя. Третий пункт часто пропускается. Используется такая маркировка на достаточно крупных изделиях, где ее можно разместить. По ГОСТ расшифровка будет выглядеть так:

Первые буквы:

К - конденсатор постоянной емкости.
КТ - подстроечник.
КП - конденсатор переменной емкости.

Вторая группа - тип диэлектрика:

На маленьких конденсаторах всего этого не разместить, поэтому там применяется сокращенная маркировка, которая с непривычки может даже потребовать калькулятора, а иногда - лупу. В этой маркировке зашифрованы емкость, номинал напряжения и отклонения от основного параметра. Остальные параметры наносить нет смысла: это, как правило, керамические конденсаторы.

Маркировка керамических конденсаторов

Иногда с ними все просто - емкость отмечена числом и единицами: pF - пикофарад, nF - нанофарад, μF — микрофарад, mF - миллифарад. То есть, надпись 100nF можно читать прямо. Номинал, соответственно, числом и буквой V. Но иногда не умещается и это, потому применяют сокращения. Так, часто емкость умещается в трех цифрах (103, 109 и т. д.), где последняя означает число нулей, а первые две - емкость в пикофарадах. Если в конце стоит цифра 9, значит, нулей нет, а между первыми двумя ставят запятую. При цифре 8 на конце запятую переносят еще на один знак назад.

Например, обозначение 109 расшифровывается как 1 пикофарад, а 100–10 пикофарад; 681–680 пикофарад, или 0,68 нанофарад, а 104- 100 тыс. пФ или 100нФ

Часто можно встретить первую букву единицы измерения в качестве запятой: p50–0,5 пФ, 1n5–1,5 нФ, 15μ – 15 мкФ, 15m – 15 мФ. Иногда вместо p пишется R.

После трех цифр может стоять буква, означающая разброс параметра емкости:

Если вы высчитываете характеристику цепи в единицах СИ, то для того, чтобы найти емкость в фарадах, необходимо помнить показатели степеней числа 10:

-3 — миллифарады;
-6 — микрофарады;
-9 — нанофарады;
-12 — пикофарады.

Таким образом, 01 пФ - это 0,1 *10^-12 Ф.

На устройствах SMD емкость в пикофарадах обозначает буква, а цифра после нее - степень 10, на которую надо умножить это значение.

буква	C	буква	C	буква	C	буква	C
A	1	J	2,2	S	4,7	a	2,5
B	1,1	K	2,4	T	5,1	b	3,5
C	1,2	L	2,7	U	5,6	d	4
D	1,3	M	3	V	6,2	e	4,5
E	1,5	N	3,3	W	6,8	f	5
F	1,6	P	3,6	X	7,5	m	6
G	1,8	Q	3,9	Y	8,2	n	7
Y	2	R	4,3	Z	9,1	t	8

Номинальное рабочее напряжение таким же образом может маркироваться буквой, если полностью его написать проблематично. В России принят следующий стандарт буквенного обозначения номинала: