Виды конденсаторов

Конденсаторы являются одним из важнейших пассивных компонентов в электронике. В простейшем случае представляет собой две металлические обкладки, разделенные слоем диэлектрика, толщина которого многократно меньше линейных размеров. Назначение – накопление заряда и энергии электрического поля.

Разнообразные конденсаторы

История

Прототипом первого конденсатора была «лейденская банка», изобретенная в 1745 г. Это была стеклянная банка, в которой обкладками были тонкие листы оловянной фольги, наклеенные на внутренние и внешние стороны стенок. В качестве внешней обкладки могли выступать руки экспериментатора, а в качестве внутренней – жидкость.

Лейденская банка

Конструкция конденсатора

Конденсатор представляет собой два проводящих электрода (обкладки), разделенных слоем диэлектрика. Толщина изолятора пренебрежимо мала, по сравнению с его линейными размерами. Емкость увеличивается пропорционально площади обкладок и обратно пропорционально толщине диэлектрика.

В элементах высокой емкости для уменьшения габаритов конструкцию «обкладка – диэлектрик – обкладка» сворачивают в рулон или делают многослойной.

Конструкция конденсаторов

Свойства конденсатора

Поскольку в конструкции конденсатора содержится диэлектрик, то при включении его в цепь постоянного напряжения ток идет только в первый момент времени, при зарядке обкладок.

В цепи переменного напряжения происходит циклическая перезарядка, поэтому наблюдается прохождение тока. Его величина определяется реактивным сопротивлением конденсатора, которое равно:

XC=1/(2πfC), где f – частота колебаний.

Таким образом, становится понятным, почему при постоянном напряжении ток отсутствует (частота равняется нулю, а сопротивление стремится к бесконечности).

Обозначение конденсаторов на схемах

На схемах конденсатор изображается в виде символических обкладок двумя параллельными черточками. С небольшими изменениями все типы конденсаторов используют данное обозначение.

Обозначение на схемах

Основные параметры

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

Ёмкость

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

Удельная ёмкость

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

Плотность энергии

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

Номинальное напряжение

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

Полярность

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

• несоответствию емкости;
• повреждению.

Маркировка обязательно содержит информацию о полярности подключения.

Опасность разрушения (взрыва)

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

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

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

Последствия разрушения

Паразитные параметры

Отдельные виды параметров являются паразитными, которые стараются снизить при конструировании и изготовлении. Их описание приведено ниже.

Эквивалентная схема

Электрическое сопротивление изоляции диэлектрика конденсатора, поверхностные утечки Rd и саморазряд

Данный параметр зависит от свойств диэлектрика и материала корпуса. Он показывает, насколько уменьшается заряд с течением времени у элемента, не включенного во внешнюю цепь. Утечка происходит в результате неидеальности диэлектрика и по его поверхности.

Для некоторых конденсаторов в характеристиках указывается постоянная времени Т, которая показывает время, в течении которого напряжение на обкладках уменьшится в е (2.71) раз. Численно постоянная времени равняется произведению сопротивления утечки на емкость.

Эквивалентное последовательное сопротивление (Rs)

Эквивалентное последовательное сопротивление ЭПС (в англоязычной литературе ERS) слагается из сопротивления материала обкладок и выводов. К нему также может добавляться поверхностная утечка диэлектрика.

По своей сути, ЭПС представляет собой сопротивление, соединенное последовательно с идеальным конденсатором. Такая цепь в некоторых случаях может влиять на фазочастотные характеристики. ЭПС обязательно должно учитываться при проектировании импульсных источников питания и контуров авторегулирования.

Электролитические конденсаторы имеют особенность, когда из-за наличия внутри паров электролита, воздействующих на выводы, величина ЭПС со временем увеличивается.

Эквивалентная последовательная индуктивность (Li)

Поскольку выводы обкладок и сами обкладки металлические, то они имеют некоторую индуктивность. Таким образом, конденсатор представляет собой резонансный контур, что может оказать влияние на работу схемы в определенном диапазоне частот. Наименьшую индуктивность имеют СМД компоненты ввиду отсутствия у них проволочных выводов.

Тангенс угла диэлектрических потерь

Отношение активной мощности, передаваемой через конденсатор, к реактивной, называется тангенсом угла диэлектрических потерь. Данная величина зависит от потерь в диэлектрике и вызывает сдвиг фазы между напряжением на обкладке и током. Тангенс угла потерь важен при работе на высоких частотах.

Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)

ТКЕ означает изменение емкости при колебаниях температуры. ТКЕ может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от того, как ведет себя емкость при изменениях температуры.

Для фильтрующих и резонансных цепей для компенсации температурного дрейфа в одной цепи используют элементы с разным ТКЕ, поэтому многие производители группируют выпускаемые элементы по величине и знаку коэффициента.

Диэлектрическая абсорбция

Данный эффект еще называют эффектом памяти. Проявляется он в том, что при разряде конденсатора через низкоомную нагрузку через некоторое время на обкладках возникает небольшое напряжение.

Величина диэлектрической абсорбции зависит от материалов, из которых изготовлен элемент. Она минимальна для тефлона и полистирола и максимальна для танталовых конденсаторов. Важно учитывать эффект при работе с прецизионными устройствами, особенно интегрирующими и дифференцирующими цепями.

Паразитный пьезоэффект

Так называемый «микрофонный эффект» выражается в том, что при воздействии механических нагрузок, в том числе акустических колебаний, керамический диэлектрик в некоторых типах устройств проявляет свойства пьезоэлектрика и начинает генерировать помехи.

Самовосстановление

Свойством самовосстановления после электрического пробоя обладают электролитические бумажные и пленочные конденсаторы. Такие типы конденсаторов и их разновидности нашли применение в цепях, обеспечивающих запуск электродвигателей, в особенности, если трехфазный асинхронный электродвигатель включается в однофазную сеть. Свойство восстановления широко используется в силовой технике.

Виды конденсаторов

Классификация конденсаторов производится по технологии изготовления и материалу диэлектрика и обкладок. Чтобы полностью классифицировать, какие бывают конденсаторы, требуется большой объем информации. Наибольшее распространение получили такие устройства.

Бумажные и металлобумажные конденсаторы

Бумажные состоят из двух алюминиевых лент, разделенных полосой из конденсаторной бумаги. В металлопленочных вместо алюминиевых лент используется способ напыления металла непосредственно на бумагу. Такие конденсаторы могут восстанавливать характеристики после электрического пробоя.

Распространенная бумажная конструкция

Электролитические конденсаторы

Состоят из металлического анода, у которого оксидный слой на поверхности выполняет роль диэлектрика. Вторая обкладка представлена жидким электролитом. Ввиду того, что слой окиси очень тонкий, емкость таких конструкций может достигать больших величин. Ценой этому следует низкое рабочее напряжение и требование соблюдения полярности.

Электролитические конденсаторы

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Это основной тип электролитических конденсаторов. Отличаются большой погрешностью емкости и низкой стойкостью к повышению температуры.

Танталовые электролитические конденсаторы

Разновидность электролитического, где в качестве анода используется спеченный танталовый порошок. Благодаря развитой поверхности анода, эквивалентная площадь обкладки получается очень большой. Используются в импульсных цепях.

Полимерные конденсаторы

Специальный проводящий органический полимер в таких устройствах используется в качестве замены электролита. Твердотельные электролитические конденсаторы имеют большой срок службы и не взрывоопасны.

Пленочные конденсаторы

В пленочных конструкциях диэлектриком выступают тонкие пленки полистирола, стироплекса, лавсана или фторопласта. Отличаются высокой стабильностью, низкими потерями, поэтому широко используются в высокочастотных устройствах.

Конденсаторы керамические

В данном случае диэлектриком служит керамика или стекло с напыленным слоем металла.

Керамические конденсаторы

Конденсаторы с воздушным диэлектриком

Конструкции низкой емкости, в основном с изменяемой емкостью (переменные) для плавной регулировки частотных характеристик схемы.

Маркировка конденсаторов

Маркировка отличается у различных производителей. В изделиях, производимых в СССР и постсоветских республиках, в маркировке обязательно присутствуют следующие данные:

• Буквенно-цифровое обозначение, характеризующее тип и технологию изготовления;
• Значение емкости и погрешность изготовления;
• Номинальное напряжение;
• ТКЕ;
• Дата изготовления.

Для импортных изделий обязательно только обозначение емкости. Остальные параметры наносятся по усмотрению производителя.

Пример маркировки

Невозможно в ограниченном объеме подробно описать все существующие виды конденсаторов. Тем более что их конструкция постоянно совершенствуется, приходят новые технологии, которые позволяют снизить стоимость с одновременным улучшением характеристик.

Видео

Автор:

Гaличeв Илья Виктoрoвич