Как конденсатор накапливает заряд

Основы электроники. Часть 2. Как работают конденсаторы. Параметры конденсаторов

Итак, конденсатор — это элемент электрической цепи, предназначенный для накопления зарядов. Сразу возникает вопрос: а зачем вообще накапливать заряды? Если вы внимательно читали первую часть, то знаете ответ на этот вопрос: потому что заряды как раз являются источником электрического поля и если в каких-то точках соотношения положительных и отрицательных зарядов разные, то между этими точками будет существовать разность потенциалов. То есть заряженный конденсатор (когда он накопил некоторый заряд) — это как бы мини источник ЭДС, который может отдавать накопленные заряды, поддерживая в цепи электрический ток (при этом сам он, естественно, будет разряжаться). Его принципиальное отличие от источника ЭДС (в котором сторонние силы, обусловленные химической реакцией, переменным магнитным полем или ещё чем-то, разделяют заряды и поддерживают разность потенциалов на его выводах) в том, что в конденсаторе нет сторонних сил (т.е. он сам внутри себя заряды не разделяет) и разность потенциалов между его выводами обеспечивается только теми зарядами, которые он накопил в процессе зарядки (то есть теми зарядами, которые пришли к нему извне).

И ещё одно. Что значит "накапливает заряд"? На самом деле выражение "накапливает" в данном случае означает перераспределение зарядов между обкладками конденсатора и внешней цепью. То есть если заряды на обкладках перераспределятся таким образом, что суммарный заряд на положительной обкладке будет на величину Q больше, чем на отрицательной, то говорят, что конденсатор накопил заряд Q. Куда заряды будут втекать и откуда утекать зависит от того, какая в начальный момент была разность потенциалов между соответствующим выводом конденсатора и той точкой внешней цепи, к которой этот вывод подключили. Короче говоря, главное, что в результате вот этого "накопления" разность зарядов между положительной и отрицательной обкладками станет равна Q.

Важнейшие характеристики конденсатора — это ёмкость и номинальное напряжение.

Итак, сначала ёмкость. Ёмкость — это параметр, который устанавливает связь между изменением заряда на обкладках и изменением напряжения между выводами конденсатора. Ёмкость показывает насколько сильно будет изменяться заряд на обкладках конденсатора при изменении напряжения между его выводами. Ну и, соответственно, от неё же зависит насколько сильно будет изменяться напряжение между выводами при изменении заряда на обкладках. Математически эта связь описывается такой формулой: C=dQ/dU, где dQ — изменение заряда, dU — изменение напряжения между выводами конденсатора. То есть численное значение ёмкости (то, что написано на вашем кондёре) показывает: на сколько Кулон нужно изменить заряд конденсатора, чтобы напряжение между его выводами изменилось на 1 В.

Чтобы было понятнее, можно привести такую аналогию:

Будем считать, что давление воздуха аналогично потенциалу, а количество воздуха (не важно, количество вещества или масса) аналогично заряду. Вполне законное сравнение, если учесть, что давление воздуха в каком-то замкнутом пространстве стремится выровняться по всему объёму и при этом воздух перемещается из областей с высоким давлением в области с низким давлением, причём чем больше разность давлений, тем, при прочих равных условиях, он это делает быстрее (помните, чем больше разность потенциалов — тем больше сила тока, при одинаковом сопротивлении?).

Далее, представьте, что у нас есть закрытая крышкой банка (это будет аналог конденсатора), в которую через дырку в крышке вставлена трубка. Если давление снаружи и внутри банки равно атмосферному, то разности давлений нет, то есть напряжение равно нулю и воздух не будет выходить из банки наружу и не будет заходить снаружи в банку. Теперь представьте, что мы подключили трубку к компрессору, который создаёт на выходе некоторое избыточное давление Pк (избыточное, — то есть на величину Pк больше атмосферного). Компрессор в данном случае будет аналогичен источнику ЭДС. При этом все я думаю прекрасно понимают, что если открыть вентиль, то воздух по трубке начнёт закачиваться в банку, то есть количество воздуха в банке начнёт увеличиваться. Или можно сказать, что наш конденсатор начнёт заряжаться (банка же у нас — это конденсатор). Но по мере увеличения в банке количества воздуха — у нас будет расти и давление в банке, соответственно будет расти разность между давлением в банке и атмосферным давлением (в нашем примере эта разность — аналог напряжения). Давление в банке будет расти до тех пор, пока не сравняется с давлением, создаваемым компрессором. После того, как это произойдёт — ток воздуха по трубке прекратится.

Так вот, величиной, аналогичной электрической ёмкости, в данном случае будет не объём банки (первая ассоциация с ёмкостью, которая приходит на ум, да?), а величина, показывающая на сколько нужно изменить массу воздуха в банке, чтобы давление в ней изменилось на 1 Паскаль. То есть ёмкость в данном случае будет связывать изменение количества воздуха в банке (изменение массы, а не объёма, он у нас постоянный, банка стеклянная и не растягивается) с изменением давления в ней. Математически это выглядело бы вот так C=dM/dP.

Надеюсь с ёмкостью всё понятно, поэтому перейдём ко второй важнейшей характеристике конденсатора — номинальному напряжению. Тут вообще всё просто. Рассмотрим опять аналогию с банкой. Понятно, что если накачивать и накачивать в неё воздух, то давление в ней будет расти, расти и в конце концов банка не выдержит и лопнет. То есть при превышении определённой разницы давлений внутри и снаружи (или можно сказать при превышении напряжения) нашу банку-конденсатор просто разорвёт на части. Точно также обстоят дела и с электрическим конденсатором. Если зарядить его выше некоторого напряжения, то произойдёт пробой, конденсатор разрушится и перестанет функционировать. Обычно в маркировке для конденсатора указывают номинальное напряжение — такое, при котором он может в течение всего срока службы эксплуатироваться без опасений, что произойдёт пробой, разрушение или ещё какие-то его повреждения. В принципе, конденсаторы могут выдерживать некоторые перенапряжения (величина зависит от типа конденсатора, материала диэлектрика и т.д), но тем не менее заряжать конденсатор до напряжения выше номинального крайне не рекомендуется, потому что в этом случае производитель уже не даст гарантии, что параметры конденсатора не ухудшатся и он не разрушится.

Давайте рассуждать дальше. Итак, мы знаем, что напряжение между выводами конденсатора увеличивается вследствие перераспределения зарядов между обкладками и внешней цепью и напрямую связано с количеством накопленного конденсатором заряда. Но заряды у нас не перемещаются мгновенно, следовательно, для того, чтобы конденсатор зарядился и напряжение между его выводами выросло — требуется некоторое время. Точно так же и давление воздуха в банке не вырастает мгновенно при подключении к ней компрессора, а постепенно растёт по мере увеличения количества закачанного воздуха. От чего же зависит скорость заряда конденсатора? Очевидно, что она зависит от того, насколько быстро перераспределяются заряды (то есть от силы тока).

Теперь давайте эти логические рассуждения подкрепим математикой. Возьмём формулу, связывающую ёмкость, заряд и напряжение и перепишем её в таком виде: dQ=C*dU, а затем обе части продифференцируем по времени, получится: dQ/dt=C*dU/dt. В левой части я думаю все узнали выражение для силы тока, поэтому заменив dQ/dt на I, окончательно получим: I=C*dU/dt — выражение, связывающее ёмкость и мгновенные значения силы тока и напряжения на конденсаторе.

"Ну и зачем нам эта формула?", — спросят некоторые товарищи, и будут очень сильно неправы, потому что это вообще-то основная формула, которая используется в расчётах цепей с конденсаторами.

Что нам ещё интересно? Интересно, например, сколько энергии накоплено в конденсаторе и где эта энергия сосредоточена. Как это узнать? Всё так же просто, как и с источником ЭДС, о котором мы говорили в первой части. Раз на обкладках накапливаются заряды и обкладки разделены диэлектриком, значит между обкладками существует электрическое поле. В этом-то электрическом поле и сосредоточена энергия конденсатора. Как её оценить? Очевидно так же, по величине работы, которую это поле может совершить по перемещению зарядов.

Представим, что у нас есть полностью заряженный конденсатор (при этом напряжение на его выводах равно U₁) и мы замкнули его выводы между собой (не важно через какое сопротивление). Какая мгновенная мощность будет при этом выделяться в нашей цепи? Как мы знаем мгновенная мощность определяется выражением P=U*dQ/dt. Работа за какой-то промежуток времени — это определённый интеграл от мгновенной мощности на этом промежутке времени. Очевидно, что для того, чтобы посчитать всю запасённую конденсатором энергию, надо измерять работу за промежуток времени от момента, когда мы замкнули полностью заряженный конденсатор до момента его полного разряда, то есть от момента, когда напряжение на конденсаторе было равно U₁ до момента, когда напряжение на нём станет равным нулю. Это мы запомним. Изменение напряжения и изменение заряда связаны соотношением dU=dQ/C, отсюда dQ=dU*C. Подставив это выражение в формулу для мощности, получим: P=C*U*dU/dt. Перенесём dt в левую часть и проинтегрируем. В левой части получим работу, а в правой определённый интеграл от напряжения. Какие пределы напряжения брать для вычисления этого определённого интеграла? А вот теперь вспоминайте то, что чуть выше запомнили: "от момента, когда напряжение на конденсаторе было равно U₁ до момента, когда напряжение на нём станет равным нулю". Значит в правой части интеграл надо брать от U₁ до нуля. В итоге получится A=C*U₁ 2 /2. Эта работа как раз и равна энергии, запасённой конденсатором. Ровно столько энергии он забирает из внешней цепи, когда заряжается, и ровно столько же энергии отдаёт во внешнюю цепь при разряде.

Ладно, с основными параметрами мы разобрались, где сосредоточена энергия и какова её величина — нашли, теперь переходим к неосновным параметрам, которые характеризуют различные потери на конденсаторе и при определённых условиях бывают очень важны, но значения которых бывает не так просто отыскать.

Первый такой важный параметр — это эквивалентное последовательное сопротивление (обычно употребляют английскую аббревиатуру от equivalent serial resistance — ESR). Что это вообще такое? Дело в том, что при движении по обкладкам и по металлическим выводам конденсаторов электроны испытывают точно такое же сопротивление, как и при движении по любому другому проводнику. Поэтому если мы хотим учесть ESR, то наш конденсатор следует рассматривать как элемент, который обладает не только ёмкостью (обычно именно так представляют идеальный конденсатор), но и последовательно соединённым с ней сопротивлением. Куда девается энергия, отнимаемая у упорядоченно движущихся зарядов в результате наличия сопротивления? Она точно так же, как и в обычном резисторе идёт на нагрев, только в данном случае нагреваются выводы и обкладки конденсатора. Итак, первое, почему важно учитывать ESR — потому, что это основной параметр, определяющий потери энергии в конденсаторе (следовательно от него зависит нагрев конденсатора, если токи заряда/разряда достаточно большие, то нагрев может быть значительным), кроме того, ESR влияет на сглаживающие способности конденсатора.

Именно из-за увеличения ESR при старении обычно вздуваются конденсаторы в блоках питания (ну и ещё из-за уменьшения сопротивления изоляции, но об этом ниже). Можно ли как-то уменьшить это негативное влияние ESR? Да легко, для этого надо подключить параллельно несколько конденсаторов, при этом сопротивления тоже окажутся включенными параллельно. В мощных блоках питания так и делают — ставят целые ряды параллельно включенных конденсаторов, хотя в принципе их можно было бы заменить всего одним или двумя, но большей ёмкости. На рисунке показано как уменьшается ESR при параллельном подключении двух одинаковых конденсаторов. Так что, как видите, включить два конденсатора по 470 мкФ может быть более выгодно, чем один на 1000 мкФ.

Второй важный параметр — это сопротивление изоляции. Этот параметр важен потому, что он позволяет оценить так называемые токи утечки. Что это такое? В принципе у нас обкладки конденсатора разделены диэлектриком, который не пропускает электрический ток, но это в идеале. Реально же сопротивление изоляции не бесконечно велико и, соответственно, когда между обкладками конденсатора есть напряжение, то через изоляцию текут так называемые токи утечки (пусть и очень очень маленькие). С учётом сопротивления изоляции конденсатор можно представить как ёмкость, шунтированную резистором. Каков эффект протекания этих токов? Они естественно тоже влияют на нагрев и сглаживающие свойства конденсатора. Обычно сопротивление изоляции всё таки огромно и токи утечки настолько мизерные, что их вообще не учитывают, но по мере старения конденсатора сопротивление изоляции может ослабнуть и токи утечки могут многократно возрасти. Иногда даже можно услышать: "появились токи утечки", как бы подчёркивая, что раньше они были настолько малы, что их вообще не брали в расчёт. Токи утечки, в свою очередь тоже ведут к повышенному нагреву конденсатора. В этом случае конденсатор просто выкидывают и ставят новый.

Ещё одним важным параметром является эквивалентная последовательная индуктивность — ESI. Она так же как и ESR обусловлена собственной индуктивностью выводов и обкладок конденсатора. Этот параметр начинает оказывать заметное влияние с ростом частоты. Помните, реактивное сопротивление ёмкости с ростом частоты уменьшается, а индуктивности, наоборот, увеличивается. Соответственно, при определённой частоте паразитная индуктивность может начать оказывать большее влияние, чем собственно, ёмкость. Именно поэтому, например, большие толстые электролиты, имеющие большую ESI, крайне плохо справляются с фильтрацией высокочастотных помех, а мелкая керамика, у которой ESI маленькая, — отлично. Хотя по логике, чем больше ёмкость — тем меньше реактивное сопротивление на одной и той же частоте, но в том-то и дело, что на высоких частотах главную роль играет уже не ёмкость, а паразитная индуктивность и ESR. Эквивалентная схема реального конденсатора с учётом ESI приведена на рисунке. Из этой схемы вытекает ещё одно интересное наблюдение. Если мы для борьбы с ESR включили несколько конденсаторов параллельно, то ESR мы конечно уменьшим, но при этом ESI такой сборки — увеличится. Это тоже может быть важным. Ну и хотелось бы добавить, что на нормальных платах ряды электролитов обычно шунтированы такими же рядами керамики (имеющей низкие ESI и ESR), как раз для фильтрации ВЧ помех, которые остаются незамеченными электролитами (с их высокими ESI и ESR).

Идём дальше. Ещё один такой параметр, который очень трудно найти, но тем не менее он существует и иногда его надо учитывать — это максимально допустимый пульсирующий ток через конденсатор, или сокращённо RCR (ripple current ratio, что можно перевести как "величина пульсирующего тока" или "размер токовых пульсаций").

Ну и наконец последнее, на чём хочется остановиться — это тангенс угла потерь (tgd). Этот параметр равен отношению активной мощности, выделяемой на конденсаторе к реактивной мощности. Активная мощность — это понятное дело в основном мощность обусловленная ESR и сопротивлением изоляции. Реактивная мощность обусловлена ёмкостью и паразитной индуктивностью. Я думаю вполне понятно, что tgd также очень сильно зависит от частоты (потому что компоненты, которые определяют этот параметр зависят от частоты), поэтому сравнивать tgd у разных конденсаторов имеет смысл только когда они измерены для одной и той же частоты. Обычно есть стандартные частоты, на которых измеряют tgd. Буржуины иногда выражают этот параметр в % и называют DF (dissipation factor — фактор рассеяния или фактор потерь) или просто D. А поскольку они очень дотошные товарищи, то у них иногда можно найти даже график зависимости DF от частоты (один раз такой видел).

Обычно если у производителей конденсаторов и можно что-то найти, то это ESR или tgd (DF), но тем не менее надо помнить и про паразитную индуктивность, и про возможность появления токов утечки, и про максимальный ток.

Конденсаторы для «чайников»

Если вы регулярно занимаетесь созданием электрических схем, вы наверняка использовали конденсаторы. Это стандартный компонент схем, такой же, как сопротивление, который вы просто берёте с полки без раздумий. Мы используем конденсаторы для сглаживания пульсаций напряжения/тока, для согласования нагрузок, в качестве источника энергии для маломощных устройств, и других применений.

Но конденсатор – это не просто пузырёк с двумя проводочками и парой параметров – рабочее напряжение и ёмкость. Существует огромный массив технологий и материалов с разными свойствами, применяемых для создания конденсаторов. И хотя в большинстве случаев для любой задачи сгодится практически любой конденсатор подходящей ёмкости, хорошее понимание работы этих устройств может помочь вам выбрать не просто нечто подходящее, а подходящее наилучшим образом. Если у вас когда-нибудь была проблема с температурной стабильностью или задача поиска источника дополнительных шумов – вы оцените информацию из этой статьи.

Начнём с простого

Лучше начать с простого и описать основные принципы работы конденсаторов, прежде чем переходить к настоящим устройствам. Идеальный конденсатор состоит из двух проводящих пластинок, разделённых диэлектриком. Заряд собирается на пластинах, но не может перетекать между ними – диэлектрик обладает изолирующими свойствами. Так конденсатор накапливает заряд.

Ёмкость измеряется в фарадах: конденсатор в один фарад выдаёт напряжение в один вольт, если в нём находится заряд в один кулон. Как и у многих других единиц системы СИ, у неё непрактичный размер, поэтому, если не брать в расчёт суперконденсаторы, о которых мы здесь говорить не будем, вы скорее всего встретитесь с микро-, нано- и пикофарадами. Ёмкость любого конденсатора можно вывести из его размеров и свойств диэлектрика – если интересно, формулу для этого можно посмотреть в Википедии. Запоминать её не нужно, если только вы не готовитесь к экзамену – но в ней содержится один полезный факт. Ёмкость пропорциональна диэлектрической проницаемости ε_r использованного диэлектрика, что в результате привело к появлению в продаже различных конденсаторов, использующих разные диэлектрические материалы для достижения больших ёмкостей или улучшения характеристик напряжения.

Паразитные индуктивность и сопротивление реального конденсатора

С использованием диэлектриков в конденсаторах есть одна проблемка, наряду с тем, что диэлектрик с нужными характеристиками обладает неприятными побочными эффектами. У всех конденсаторов есть небольшие паразитные сопротивление и индуктивность, которые иногда могут влиять на его работу. Электрические постоянные меняются от температуры и напряжения, пьезоэлектричества или шума. Некоторые конденсаторы стоят слишком дорого, у некоторых существуют состояния отказа. И вот мы подошли к основной части статьи, в которой расскажем о разных типах конденсаторов, и об их свойствах, полезных и вредных. Мы не будем освещать все возможные технологии, хотя большинство обычных мы опишем.

Алюминиевые электролитические

Алюминиевые электролитические конденсаторы используют анодно-оксидированный слой на алюминиевом листе в качестве одной пластины-диэлектрика, и электролит из электрохимической ячейки в качестве другой пластины. Наличие электрохимической ячейки делает их полярными, то есть напряжение постоянного тока должно прикладываться в одном направлении, и анодированная пластина должна быть анодом, или плюсом.

На практике их пластины выполнены в виде сэндвича из алюминиевой фольги, завёрнутой в цилиндр и расположенной в алюминиевой банке. Рабочее напряжение зависит от глубины анодированного слоя.

У электролитических конденсаторов наибольшая среди распространённых ёмкость, от 0,1 до тысяч мкФ. Из-за плотной упаковки электрохимической ячейки у них наблюдается большая эквивалентная последовательная индуктивность (equivalent series inductance, ESI, или эффективная индуктивность), из-за чего их нельзя использовать на высоких частотах. Обычно они используются для сглаживания питания и развязывания, а также связывания на аудиочастотах.

Танталовые электролитические

Танталовый конденсатор поверхностного размещения

Танталовые электролитические конденсаторы изготавливаются в виде спечённого танталового анода с большой площадью поверхности, на которой выращивается толстый слой оксида, а затем в качестве катода размещается электролит из диоксида марганца. Комбинация большой площади поверхности и диэлектрических свойств оксида тантала приводит к высокой ёмкости в пересчёте на объём. В результате такие конденсаторы выходят гораздо меньше алюминиевых конденсаторов сравнимой ёмкости. Как и у последних, у танталовых конденсаторов есть полярность, поэтому постоянный ток должен идти в строго одном направлении.

Их доступная ёмкостью варьируется от 0,1 до нескольких сотен мкФ. У них гораздо меньше сопротивление утечки и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), в связи с чем они используются в тестировании, измерительных приборах и высококачественных аудиоустройствах – там, где эти свойства полезны.

В случае танталовых конденсаторов необходимо особенно следить за тем, чтобы они не вышли из строя — бывает, что в таком случае они загораются. Аморфный оксид тантала – хороший диэлектрик, а в кристаллической форме он становится хорошим проводником. Неправильное использование танталового конденсатора – например, подача слишком большого пускового тока может привести к переходу диэлектрика в другую форму, что увеличит проходящий через него ток. Правда, репутация, связанная с возгораниями, появилась у более ранних поколений танталовых конденсаторов, и улучшенные методы производства привели к созданию более надёжной продукции.

Полимерные плёнки

Целое семейство конденсаторов использует полимерные плёнки в качестве диэлектриков, а плёнка либо находится между витыми или перемежающимися слоями металлической фольги, либо имеет металлизированный слой на поверхности. Их рабочее напряжение может доходить до 1000 В, но высокими ёмкостями они не обладают – это обычно от 100 пФ до единиц мкФ. У каждого вида плёнки есть свои плюсы и минусы, но в целом всё семейство отличается более низкими ёмкостью и индуктивностью, чем у электролитических. Посему они используются в высокочастотных устройствах и для развязывания в электрически шумных системах, а также в системах общего назначения.

Полипропиленовые конденсаторы используются в схемах, требующих хорошей тепловой и частотной стабильности. Также они используются в системах питания, для подавления ЭМП, в системах, использующих переменные токи высокого напряжения.

Полиэстеровые конденсаторы, хотя и не обладают такими температурными и частотными характеристиками, получаются дешёвыми и выдерживают большие температуры при пайке для поверхностного монтажа. В связи с этим они используются в схемах, предназначенных для использования в некритичных приложениях.

Полиэтилен-нафталатовые конденсаторы. Не обладают стабильными температурными и частотными характеристиками, но могут выдерживать гораздо большие температуры и напряжения по сравнению с полиэстеровыми.

Полиэтилен-сульфидовые конденсаторы обладают температурными и частотными характеристиками полипропиленовых, и в дополнение выдерживают высокие температуры.

В старом оборудовании можно наткнуться на поликарбонатные и полистиреновые конденсаторы, но сейчас они уже не используются.

Керамика

История керамических конденсаторов довольно длинная – они использовались с первых десятилетий прошлого века и по сей день. Ранние конденсаторы представляли собою один слой керамики, металлизированной с обеих сторон. Более поздние бывают и многослойными, где пластины с металлизацией и керамика перемежаются. В зависимости от диэлектрика их ёмкости варьируются от 1 пФ до десятков мкФ, а напряжения достигают киловольт. Во всех отраслях электроники, где требуется малая ёмкость, можно встретить как однослойные керамические диски, так и многослойные пакетные конденсаторы поверхностного монтажа.

Проще всего классифицировать керамические конденсаторы по диэлектрикам, поскольку именно они придают конденсатором все свойства. Диэлектрики классифицируют по трёхбуквенным кодам, где зашифрована их рабочая температура и стабильность.

C0G лучшая стабильность в ёмкости по отношению к температуре, частоте и напряжению. Используются в высокочастотных схемах и других контурах высокого быстродействия.

X7R не обладают такими хорошими характеристиками по температуре и напряжению, посему используются в менее критичных случаях. Обычно это развязывание и различные универсальные приложения.

Y5V обладают гораздо большей ёмкостью, но характеристики температуры и напряжения у них ещё ниже. Также используются для развязывания и в различных универсальных приложениях.

Поскольку керамика часто обладает и пьезоэлектрическими свойствами, некоторые керамические конденсаторы демонстрируют и микрофонный эффект. Если вы работали с высокими напряжениями и частотами в аудиодиапазоне, например, в случае ламповых усилителей или электростатики, вы могли услышать, как «поют» конденсаторы. Если вы использовали пьезоэлектрический конденсатор для обеспечения частотной стабилизации, вы могли обнаружить, что его звук модулируется вибрацией его окружения.

Как мы уже упоминали, статья не ставит целью охватить все технологии конденсаторов. Взглянув в каталог электроники вы обнаружите, что некоторые технологии, имеющиеся в наличии, здесь не освещены. Некоторые предложения из каталогов уже устарели, или же имеют такую узкую нишу, что с ними чаще всего и не встретишься. Мы надеялись лишь развеять некоторые тайны по поводу популярных моделей конденсаторов, и помочь вам в выборе подходящих компонентов при разработке собственных устройств. Если мы разогрели ваш аппетит, вы можете изучить нашу статью по катушкам индуктивности.

Об обнаруженных вами неточностях и ошибках прошу писать через личные сообщения сайта. Спасибо.

Что такое конденсатор? Как он работает?

Посмотрите в небо и в большинство дней вы увидите несколько огромных конденсаторов, плавающих над вашей головой. Конденсаторы — устройства хранения энергии, которые широко используются в телевизорах, радиоприемниках и других видах электронного оборудования. Настраиваете радиоприемник на станцию, делаете фото с цифровой камеры со вспышкой, или листаете каналы на вашем телевизоре HDTV, вы косвенно пользуетесь конденсаторами. Конденсаторы, которые дрейфуют в небе, более известны как облака и, хотя они гигантские по сравнению с конденсаторами, которые мы используем в электронике, они хранят энергию точно таким же образом. Давайте поближе рассмотрим конденсаторы и как они работают!

Что такое конденсатор?

Конденсаторы

Возьмите два электрических проводника (пусть электричество течет по ним) и разделите их диэлектриком (материалом, который пропускает электрический поток очень плохо), и вы получите конденсатор: устройство, которое может хранить электрическую энергию. Добавление электрической энергии в конденсатор называется зарядкой; высвобождение энергии из конденсатора известно, как разрядка.

Конденсатор немного напоминает аккумуляторную батарею, но у нее другая работа. Аккумулятор использует химикаты, чтобы хранить электрическую энергию и выпускать ее очень медленно через контур; иногда (в случае кварцевых часов) это может занять до нескольких лет. Конденсатор, как правило, освобождает свою энергию гораздо быстрее—часто в течение секунд и менее. Если вы делаете фото со вспышкой, то вам нужно, чтобы ваша камера произвела яркий взрыв света в доли секунды. Конденсатор присоединен к вспышке заряжает конденсатор в течение нескольких секунд с помощью энергии из камеры батареи. (Требуется время для зарядки конденсатора и поэтому обычно нужно немного подождать.) После того, как конденсатор полностью зарядится, он может выпустить всю свою энергию в одно мгновение через ксеноновую лампу. Щелк! и фото готово.

Различные виды

Конденсаторы бывают различных форм и размеров, но они обычно имеют те же основные компоненты. Есть два проводника (известные как пластины, в основном по историческим причинам) и есть изолятор между ними (так называемый диэлектрик). Две пластины внутри конденсатора подключены к двум электрическим соединениям, называемым клеммы, которые похожи на тонкие металлические ножки для подключения к электрической цепи.
Вы можете заряжать конденсатор, просто подсоединив его к электрической цепи. При включении питания, электрический заряд постепенно накапливается на пластинах. Одна пластина приобретет положительный заряд, а другая пластина — равный по величине и противоположный по знаку (отрицательный) заряд. Если вы отключите питание, то конденсатор будет держать заряд (хотя он может медленно ослабевать со временем). Но если вы подключите конденсатор ко второй цепи, содержащей нечто вроде электрического мотора или лампы-вспышки, то заряд будет перетекать из конденсатора в мотор или лампу пока на пластинах не останется заряда.

Как видно, этот конденсатор состоит из фольги и бумажного изолятора

Хотя конденсаторы имеют одну основную функцию(сохранение заряда), они могут быть использованы для разных целей в электрических цепях. Они могут быть применены в качестве приборов времени (потому что, разрядка конденсатора занимает определенное, предсказуемое количество времени), в качестве фильтров (цепей, которые пропускают только определенные сигналы в поток), для сглаживания напряжения в цепях, для тюнинга (в радиоприемниках и телевизорах), и для других целей. Большие суперконденсаторы могут также использоваться вместо батарей.

Конденсаторы и их емкость

Объем электрической энергии, который конденсатор может хранить, называется его емкостью. Емкость конденсатора немного напоминает объем ведра: чем больше ведро, тем больше воды оно может хранить; чем больше емкость, тем больше электроэнергии конденсатор может хранить. Есть три способа, чтобы увеличить емкость конденсатора. Один-увеличить размер пластины. Другой уменьшить расстояние между пластинами. Третий способ-использовать наиболее хороший изолятор в качестве диэлектрика. Диэлектрики изготовлены из различных материалов. В транзисторных радиоприемниках настройка осуществляется большим конденсатором переменной емкости, который не имеет ничего, кроме воздуха между его пластинами. В большинстве электронных схем, конденсаторы герметизированы, а диэлектрики изготовлены из слюды, стекла, бумаги, пропитанной маслом, или пластмасс , таких как майлар.

Как можно измерить емкость?

Размер конденсатора измеряется в единицах, называемых фарад (Ф), назван в честь английского ученого Майкла Фарадея (1791-1867). Один фарад-это огромный объем емкости, поэтому на практике мы сталкиваемся лишь с долями фарада—обычно микрофарад (10 ?6 Ф, миллионная доля фарада [мкф]), нанофарад (10 ?9 Ф, миллиардная доля фарада [нФ]), и пикофарад (10 ?12 Ф, триллионная доля фарада, [пФ]). Емкость суперконденсатора может достигать тысячи фарад.

Почему конденсатор накапливает энергию?

Когда вы поднимаетесь по лестнице или в горы, вы совершаете работу против гравитационного поля Земли. Очень похожая вещь происходит в конденсаторе. Если у вас есть положительный электрический заряд и отрицательный электрический заряд, они притягиваются друг к другу, как противоположные полюса двух магнитов—или как твое тело и землю. Если вы разнимите их, вы должны «делать работу» против электростатических сил. После того, как вы разделили заряды, у вас появляется электрическая потенциальная энергия. Две пластины конденсатора держат разноименные заряды и расстояние между ними создает электрическое поле. Поэтому конденсатор хранит энергию.

P.S. Кстати в облаках ледяные частички трутся об воздух, создавая статическое электричество, вследствие этого в верхнем слое накапливается положительный заряд, а в нижней — отрицательный. После достижения определенного предела воздух уже не может быть изолятором и становиться проводником, далее происходит моментальная разрядка, то есть удар молнии.

Накопление заряда в облаке

Конденсатор: что это такое и для чего он нужен

Конденсатор – это устройство, способное накапливать электрический заряд.

Такую же функцию выполняет и аккумуляторная батарея, но в отличие от неё конденсатор может моментально отдать весь накопленный заряд.

Количество заряда, которое способен накопить конденсатор, называют «емкостью». Эта величина измеряется в фарадах.

Содержание статьи

Принцип работы конденсаторов

При подсоединении цепи к источнику электрического тока через конденсатор начинает течь электрический ток. В начале прохождения тока через конденсатор его сила имеет максимальное значение, а напряжение – минимальное. По мере накопления устройством заряда сила тока падает до полного исчезновения, а напряжение увеличивается.

В процессе накопления заряда электроны скапливаются на одной пластинке, а положительные ионы – на другой. Между пластинами заряд не перетекает из-за присутствия диэлектрика. Так устройство накапливает заряд. Это явление называется накоплением электрических зарядов, а конденсатор –накопителем электрического поля.

Устройство конденсаторов

Конструкции современных конденсаторов отличаются разнообразием, но можно выделить несколько типичных вариантов:

Пакетная конструкция

Используется в стеклоэмалевых, керамических и стеклокерамических конденсаторах. Пакеты образованы чередующимися слоями обкладок и диэлектрика. Обкладки могут изготавливаться из фольги, а могут представлять собой слои на диэлектрических пластинах – напыленный или нанесенный вжиганием.

Каждый пакетный конденсатор имеет верхнюю и нижнюю обкладки, имеющие контакты с торцов пакета. Выводы изготавливаются из проволоки или ленточных полосок. Пакет опрессовывается, герметизируется, покрывается защитной эмалью.

Трубчатая конструкция

Такую конструкцию могут иметь высокочастотные конденсаторы. Они представляют собой керамическую трубку с толщиной стенки 0,25 мм. На ее наружную и внутреннюю стороны способом вжигания наносится серебряный проводящий слой. Снаружи деталь обрабатывается изоляционным веществом. Внутреннюю обкладку выводят на наружный слой для присоединения к ней гибкого вывода.

Дисковая конструкция

Эта конструкция, как и трубчатая, применяется при изготовлении высокочастотных конденсаторов.

Диэлектриком в дисковых конденсаторах является керамический диск. На него вжигают серебряные обкладки, к которым подсоединены гибкие выводы.

Литая секционированная конструкция

Применяется в монолитных многослойных керамических конденсаторах, используемых в современной аппаратуре, в том числе с интегральными микросхемами. Деталь, имеющая 2 паза, изготавливается литьем керамики. Пазы заполняют серебряной пастой, которую закрепляют методом вживания. К серебряным вставкам припаивают гибкие выводы.

Рулонная конструкция

Характерна для бумажных пленочных низкочастотных конденсаторов с большой емкостью. Бумажная лента и металлическая фольга сворачиваются в рулон. В металлобумажных конденсаторах на бумажную ленту наносят металлический слой толщиной до 1 мкм.

Где используются конденсаторы

Конденсаторы применяются практически во всех современных устройствах: сабвуферах, электродвигателях, автомобилях, насосах, электроинструменте, кондиционерах, холодильниках, мобильных телефонах и т.п.

В зависимости от выполняемых функций их разделяют на общего назначения и узкоспециальные.

К конденсаторам общего назначения относятся низковольтные накопители, которые используются в большинстве видов электроаппаратуры.

К узкоспециализированным относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические ипусковые конденсаторы.

Функции, выполняемые конденсаторами:

• фильтрация высокочастотных помех;
• сведение к минимуму пульсаций;
• разделение сигнала на постоянные и переменные компоненты;
• накопление энергии;
• создание резонанса с катушкой индуктивности, что позволяет усилить сигнал.

Поведение конденсатора в цепях постоянного и переменного тока

В цепях постоянного тока заряженный конденсатор образует разрыв, мешающий протеканию тока. Если напряжение приложить к обкладкам разряженной детали, то ток потечет. При этом конденсатор будет заряжаться, сила тока падать, напряжение на обкладках повышаться. При достижении равенства напряжения на обкладках и источника электропитания течение тока прекращается.

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

Переменный ток заряженный конденсатор тоже не пропускает. Но за один период синусоиды дважды происходит зарядка и разрядка накопителя, поэтому ток получает возможность протекать через конденсаторв периодего разрядки.

Виды и классификация конденсаторов

Конденсаторы различных типов приспособлены к разным условиям работы, направлены на выполнение определенных задач и обладают различными побочными эффектами.

Основной признак, по которому классифицируют конденсатор, – это вид диэлектрика. Именно диэлектрический материал определяет многие характеристики конденсатора.

Электролитические конденсаторы

В электролитических конденсаторах анодом служит металлическая пластина, диэлектриком – оксидная пленка, а катодом – твердый, жидкий или гелеобразный электролит. Наличие гелеобразного электролита делает устройство полярным, то есть ток через него может протекать только в одном направлении. Представители этого семейства – алюминиевые и танталовые конденсаторы.

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

В танталовых конденсаторах катод изготавливается из диоксида марганца. Сочетание значительной площади поверхности анода и диэлектрических характеристик оксида тантала обеспечивает высокую удельную емкость (емкость в единице объема или массы диэлектрика). Это значит, что танталовые конденсаторы гораздо компактнее алюминиевых такой же емкости.

У танталовых конденсаторов есть свои недостатки. Устройства ранних поколений грешат отказами, возможны возгорания. Они могут произойти при подаче слишком высокого пускового тока, который меняет структурное состояние диэлектрика. Дело в том, что оксид тантала в аморфном состоянии является хорошим диэлектриком. При подаче большого пускового тока оксид тантала из аморфного состояния переходит в кристаллическое и превращается в проводник. Кристаллический оксид тантала еще больше увеличивает силу тока, что и приводит к возгоранию. Современные танталовые конденсаторы производятся по передовым технологиям и практически не дают отказов, не вздуваются, не возгораются.

Пленочные и металлопленочные конденсаторы

Пленочные конденсаторы имеют диэлектрический слой из полимерной пленки, расположенный между слоями металлофольги.

Такие устройства имеют небольшую емкость (от 100 пФ до нескольких мкФ), но могут работать при высоких напряжениях – до 1000 В.

Существует целое семейство пленочных конденсаторов, но для всех видов характерны небольшие емкость и индуктивность. Благодаря малой индуктивности, эти приборы используются в высокочастотных схемах.

Основные различия между конденсаторами с разными типами пленок:

• Конденсаторы с диэлектриком в виде полипропиленовой пленки применяются в цепях, в которых предъявляются высокие требования к температурной и частотной стабильности. Они подходят для систем питания, подавления ЭМП.
• Конденсаторы с диэлектриком в виде полиэстеровой пленки обладают низкой стоимостью и способны выдерживать высокие температуры при пайке. Частотная стабильность, по сравнению с полипропиленовыми видами, ниже.
• Конденсаторы с диэлектриком из поликарбонатной и полистиреновой пленки, которые использовались в старых схемах, сегодня уже неактуальны.

Керамические конденсаторы

В керамических конденсаторах в качестве диэлектрика используются керамические пластины.

Керамические конденсаторы отличаются небольшой емкостью – от одного пФ до нескольких десятков мкФ.

Керамика имеет пьезоэлектрический эффект (способность диэлектрика поляризоваться под воздействием механических усилий), поэтому некоторые виды этих конденсаторов обладают микрофонным эффектом. Это нежелательное явление, при котором часть электроцепи воспринимает вибрации, как микрофон, что становится причиной помех.

Бумажные и металлобумажные конденсаторы

В качестве диэлектрика в этих конденсаторах используется бумага, часто промасленная. Устройства с промасленной бумагой отличаются большими размерами. Модели с непромасленной бумагой более компактны, но они имеют существенный недостаток – увеличивают энергопотери под воздействием влаги даже в герметичной упаковке. В последнее время эти детали используются редко.

Основные параметры конденсаторов

Емкость

Этот показатель характеризует способность конденсатора накапливать электрический заряд. Емкость тем больше, чем больше площадь проводниковых обкладок и чем меньше толщина диэлектрического слоя. Также эта характеристика зависит от материала диэлектрика. На приборе указывается номинальная емкость. Реальная емкость, в зависимости от эксплуатационных условий, может отличаться от номинальной в значительных пределах. Стандартные варианты номинальной емкости – от единиц пикофарад до нескольких тысяч микрофарад. Некоторые модели могут иметь емкость в несколько десятков фарад.

Классические конденсаторы имеют положительную емкость, то есть чем больше приложенное напряжение, тем больше накопленный заряд. Но сегодня в стадии разработки находятся устройства с уникальными свойствами, которые ученые называют «антиконденсаторами». Они обладают отрицательной емкостью, то есть с ростом напряжения их заряд уменьшается, и наоборот. Внедрение таких антиконденсаторов в электронную промышленность позволит ускорить работу компьютеров и снизить риск их перегрева.

Что будет, если поставить накопитель большей/меньшей емкости, по сравнению с требуемой? Если речь идет о сглаживании пульсаций напряжения в блоках питания, то установка конденсатора с емкостью, превышающей нужную величину (в разумных пределах – до 90% от номинала), в большинстве случаев улучшает ситуацию. Монтаж конденсатора с меньшей емкостью может ухудшить работу схемы. В других случаях возможность установки детали с параметрами, отличающимися от заданных, определяют конкретно для каждого случая.

Удельная емкость

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

Плотность энергии

Это понятие относится к электролитическим конденсаторам. Максимальная плотность характерна для больших конденсаторов, в которых масса корпуса значительно ниже, чем масса обкладок и электролита.

Номинальное напряжение

Его значение отражается на корпусе и характеризует напряжение, при котором конденсатор работает в течение срока службы с колебанием параметров в заданных пределах. Эксплуатационное напряжение не должно превышать номинальное значение. Для многих конденсаторов с повышением температуры номинальное напряжение снижается.

Полярность

К полярным относятся электролитические конденсаторы, имеющие положительный и отрицательный заряды. На устройствах отечественного производства обычно ставился знак «+» у положительного электрода. На импортных приборах обозначается отрицательный электрод, возле которого стоит знак «-». Такие конденсаторы могут выполнять свои функции только при корректном подключении полярности напряжения. Этот факт объясняется химическими особенностями реакции электролита с диэлектриком.

Что будет, если перепутать полярность конденсатора? Обычно в этом случае приборы выходят из строя. Это происходит из-за химического разрушения диэлектрика, которое вызывает рост силы тока, вскипание электролита и, как следствие, вздутие корпуса и вероятный взрыв.

К группе неполярных конденсаторов относится большинство накопителей заряда. Эти детали обеспечивают корректную работу при любом порядке подключения выводов в цепь.

Паразитные параметры конденсаторов

Конденсаторы, помимо основных характеристик, имеют так называемые «паразитные параметры», которые искажают рабочие свойства колебательного контура. Их необходимо учитывать при проектировании схемы.

К таким параметрам относятся собственное сопротивление и индуктивность, которые разделяются на следующие составляющие:

• Электрическое сопротивление изоляции (r), которое определяется по формуле: r = U/Iут, в которой U – напряжение источника питания, Iут – ток утечки.
• Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, англ. ESR). Эта величина зависит от электрического сопротивления материала обкладок, выводов, контактов между ними, потерями в диэлектрическом слое. ЭПС возрастает с ростом частоты тока, подаваемого на накопитель. В большинстве случаев эта характеристика не принципиальна. Исключение составляют электролитические накопители, устанавливаемые в фильтрах импульсных блоков питания.
• Эквивалентная последовательная индуктивность – L. На низких частотах этот параметр, обусловленный собственной индуктивностью обкладок и выводов, не учитывается.

К паразитным параметрам также относится Vloss – незначительная величина, выражаемая в процентах, которая показывает, насколько падает напряжение сразу после прекращения зарядки конденсатора.

Обозначение конденсаторов на схеме

На чертежах конденсатор с постоянной емкостью обозначают двумя параллельными черточками — обкладками. Их подписывают буквой «C». Рядом с буквой ставят порядковый номер элемента на схеме и значение емкости в пФ или мкФ.

В конденсаторах переменной емкости параллельные черточки перечеркиваются диагональной чертой со стрелкой. Подстроечные модели обозначаются двумя параллельными линиями, перечеркнутыми диагональной чертой с черточкой на конце. На обозначении полярных конденсаторов указывается положительно заряженная обкладка.

Обозначение по ГОСТ 2.728-74	Описание
	Конденсатор постоянной ёмкости
	Поляризованный (полярный) конденсатор
	Подстроечный конденсатор переменной ёмкости
	Варикап

Особенности соединения нескольких конденсаторов в цепи

Соединение нескольких конденсаторов между собой может быть последовательным или параллельным.

Последовательное

Последовательное соединение позволяет подавать на обкладки большее напряжение, чем на отдельно стоящую деталь. Напряжение распределяется в зависимости от емкости каждого накопителя. Если емкости деталей равны, то напряжение распределяется поровну.

Получаемая емкость в такой цепи находится по формуле:

Если провести вычисления, то станет понятно, что увеличение напряжения в цепи достигается существенным падением емкости. Например, если в цепь подсоединить последовательно два конденсатора емкостью 10 мкФ, то общая емкость будет равна всего 5 мкФ.

Параллельное

Это наиболее распространенный на практике способ, позволяющий увеличить общую емкость в схеме. Параллельное соединение позволяет создать один большой конденсатор с суммарной площадью проводящих пластин. Общая емкость системы представляет собой сумму емкостей соединенных деталей.

Напряжение на всех элементах будет одинаковым.

Маркировка конденсаторов

В маркировке конденсатора, независимо от его типа, присутствуют два обязательных параметра – емкость и номинальное напряжение. Наиболее распространена цифровая маркировка, указывающая величину сопротивления. В ней используется три или четыре цифры.

Кратко суть трехфциферной маркировки: первые две цифры, находящиеся слева, указывают значение емкости в пикофарадах. Самая правая цифра показывает, сколько нулей надо прибавить к стоящим слева цифрам. Результат получается в пикофарадах. Пример: 154 = 15х104 пФ. На конденсаторах зарубежного производства пФ обозначаются как mmf.

В кодовом обозначении с четырьмя цифрами емкость в пикофарадах обозначают первые три цифры, а четвертая указывает на количество нулей, которые требуется добавить. Например: 2353=235х103 пФ.

Для обозначения емкости также может применяться буквенно-цифровая маркировка, содержащая букву R, которая указывает место установки десятичной запятой. Например, 0R8=0,8 пФ.

На корпусе значение напряжения указывается числом, после которого ставятся буквы: V, WV (что означает «рабочее напряжение»). Если указание на допустимое напряжение отсутствует, то конденсатор может использоваться только в низковольтных цепях.

Помимо емкости и напряжения, на корпусе могут указываться и другие характеристики детали:

• Материал диэлектрика. Б – бумага, С – слюда, К – керамика.
• Степень защиты от внешних воздействий. Г – герметичное исполнение, О – опрессованный корпус.
• Конструкция. М – монолит, Б – бочонок, Д – диск, С – секционный вариант.
• Режим по току. И – импульсный, У – универсальный, Ч – только постоянный ток, П – переменный/постоянный.

Как проверить работоспособность конденсатора

Для проверки конденсатора на работоспособность используют мультиметр. Прежде чем проверить накопитель, необходимо определить, какой именно прибор находится в схеме – полярный (электролитический) или неполярный.

Проверка полярного конденсатора

При проверке полярного конденсатора необходимо соблюдать правильную полярность подключения щупов: плюсовой должен быть прижат к плюсовой ножке, минусовой – к минусу. Если вы перепутаете полярность, конденсатор выйдет из строя.

После выпайки детали ее кладут на свободное пространство. Мультиметр включают в режим измерения сопротивления («прозвонки»).

Щупами дотрагиваются до выводов прибора с соблюдением полярности. Правильная ситуация, когда на дисплее появляется первое значение, которое начинает постепенно расти. Максимальное значение, которое должно быть достигнуто для исправного устройства, – 1. Если вы только прикоснулись щупами к выводам, а на экране появилась сразу цифра 1, значит, прибор неисправен. Появление на экране «0» означает, что внутри детали произошло короткое замыкание.

Проверка неполярного конденсатора

В этом случае проверка предельно простая. Диапазон измерений выставляют на отметку 2 МОм. Щупы присоединяют к выводам конденсатора в любом порядке. Полученное значение должно превышать двойку. Если на дисплее высвечивается значение менее 2 МОм, то деталь неисправна.

Как зарядить и разрядить конденсатор

Для зарядки накопителя его подсоединяют к источнику постоянного тока. Зарядка прекращается, когда напряжение источника питания сравнивается по величине с напряжением на обкладках.

Разрядка конденсатора может понадобиться для безопасной разборки бытовых приборов и электронных устройств. Накопители электронных устройств разряжают с помощью обычной диэлектрической отвертки. Для разрядки крупных накопителей, которые устанавливаются в бытовых приборах, необходимо собрать специальное разрядное устройство.