Конденсатор — для чего нужен, устройство и принцип работы

Один из элементов радиоэлектроники, без участия которого не обходятся практические электрические и электронные схемы, – это конденсатор. Это имеющий малую проводимость и постоянную или изменяющуюся ёмкость двухполюсник. Такой пассивный компонент цепи имеет способность накапливать энергию и заряд электрических полей. Преобразователи, усилители, фильтрующие узлы, передающие устройства – везде применяется этот двухполюсник.

Конденсатор

История появления

Нельзя однозначно сказать, что конденсатор был изобретён намеренно. Его появление произошло в результате опытов голландца Мушенбрука. То, с чем изобретатель столкнулся, и первый образ элемента имели много общего с нынешними носителями ёмкости. В 1745 году ученый, работая с электрической машиной в лабораторных условиях, погрузил или случайно опустил электрод машины в ёмкость с водой. Когда он после опыта дотронулся до него, то ощутил разряд тока. Машина в это время уже не работала. Тогда ещё электричество считалось некоторой жидкостью, отсюда происходит определение емкости конденсатора. По названию городка Лейден, где физик проводил свои опыты, первый конденсатор назвали лейденской банкой.

Банка лейденская

Конструкция конденсатора

Пассивный электронный компонент представляет собой конструкцию, включающую в себя два электрода. Они выполнены в виде пластин – обкладок. Между пластинами имеется зазор, заполненный различным диэлектриком. Зазор очень мал, по сравнению с размером обкладок.

Устройство конденсатора

Схема разделения конденсаторов по конструкции

Среди популярных структур можно выделить следующие строения:

• дисковое;
• трубчатое;
• пакетное;
• рулонное;
• многопластинчатое.

Дисковое устройство имеют керамические элементы полупеременного или постоянного типа. На верхней и нижней частях диска из керамики располагаются серебряные обкладки. К ним прикреплены выводы. Вся конструкция покрыта эмалью разных цветов.

Дисковый двухполюсник

Трубчатый элемент состоит из керамической трубки, на поверхность которой (снаружи и внутри) при помощи вжигания нанесен слой серебра. Технологический процесс подразумевает применять толщину трубки не менее 0,25 мм.

Трубчатый элемент

Конденсаторы пакетного строения – это керамические, стеклоэмалевые или стеклокерамические модели.

На показанной выше картинке устройство двухполюсника включает в себя:

• основу;
• обкладки;
• полоски фольги;
• опрессовочные обжимы;
• выводы.

Основа, на которую методом напыления наносится металл, имеет толщину 0,015-0,025 мм. Напыление представляет собой обкладки конденсатора с присоединёнными фольгированными полосками. Полоски применяются для образования контактного соединения. Весь пакет пластин (их количество может доходить до 100 штук) обжимается при сборке обжимами, к ним крепят выводы из гибкой проволоки.

Рулонная конструкция конденсатора –  что такое? Данная сборка представляет собой устройство у плёночных или электролитических ёмкостей. Это чаще всего алюминиевая фольга, имеющая диэлектрическую прокладку из бумаги или плёнки и скрученная в рулон.

Многопластинчатое устройство конденсатора представляет собой двухполюсник с изменяемой ёмкостью. Он имеет ряд пластин статора (неподвижная часть) и ротора (подвижная часть), которые при помощи оси вращения меняют величину ёмкости С в небольшом интервале. Угол меняется от 0 до 1800.

Конденсатор многопластинчатый

Свойства конденсатора

То, как работает двухполюсник, зависит от его рабочих качеств. Включенный в схемы с неизменным питающим напряжением он пропускает ток только в начальный момент, при включении. Происходит его зарядка, и далее ток не проходит.

Иначе работает конденсатор при подключении переменного напряжения. При изменении полярности электрического тока ёмкостной двухполюсник периодически перезаряжается и пропускает через себя переменные колебания.

При рассмотрении свойств можно остановиться на следующих моментах:

• импеданс;
• резонансная частота.

В случае с конденсатором речь идёт о комплексном импедансе. Его формула имеет вид:

ZC= 1/jωC,

где:

• j – единица мнимая;
• ω – циклическая частота (рад/с);
• C – ёмкость (Ф).

Учитывая, что ω = 2πf, формула принимает вид:

ZC = — j/2πf, где f – частота в герцах.

Формула резонансной частоты имеет вид:

fp = 1/2π√(Lc*C),

где Lc и Rn – индуктивность и сопротивление, соответственно.

Обозначение конденсаторов на схемах

Визуальное изображение ёмкостного двухполюсника на чертежах легко отличается от остальных. Это расположенные вертикально две чёрточки с расстоянием, обозначающим зазор. Чёрточки, соответственно, означают пластины.

Изображение элемента

Основные параметры

Принцип работы конденсатора базируется на характеристиках, которые влияют на то, какие элементы и для каких случаев будут применяться. К основным параметрам относятся:

• ёмкость;
• полярность;
• допустимое напряжение.

Существует ещё несколько характеристик, которые значительно влияют на функциональность ёмкостного двухполюсника.

Функции элемента

Для чего нужен конденсатор? Зачем необходимо применять в электронных узлах этот элемент, понятно из рассмотрения его основной функции: накапливать на своих обкладках электричество (режим заряда) и отдавать его в нужный момент (режим разряда). Он накапливает энергию и удерживает её некоторое время, но не может делать этого долго по причине саморазряда.

Характеристики

Рассматривая подробно параметры двухполюсника, можно очертить их основной ряд.

К характеристикам, на которые необходимо обратить внимание, относятся:

• ёмкость;
• удельная ёмкость;
• плотность энергии;
• номинальное напряжение;
• полярность;
• возможность разрушения.

Каждый из перечисленных параметров имеет свою характеристику.

Ёмкость

Самый определяющий фактор элемента – емкость конденсатора. Она обозначается буквой С, имеет единицу измерений – 1 Фарад (1Ф). Зависит ёмкость от площади поверхности пластин, зазора и помещённого туда диэлектрика. Определить ёмкость элемента можно по формуле:

С = q/U,

где:

• q – заряд пластины, (Кл);
• U – напряжение на пластинах, (В).

Удельная ёмкость

Этот параметр определяет прямую пропорцию между ёмкостью и количеством (объёмом) диэлектрика. Чем меньше количество диэлектрика (расстояние между пластинами), тем удельная ёмкость выше. При этом вероятность пробоя становится выше.

Плотность энергии

Когда нужно накопить большой заряд и при необходимости быстро его отдать, выбирают конденсаторы, имеющие высокую плотность энергии. Она высока в тех конструкциях, где корпус обладает массой, меньшей относительно веса его содержимого.

Номинальное напряжение

Напряжение на конденсаторе, необходимое для работы длительное время без пробоя, называют номинальным. Питающее напряжение, поданное на элемент, обязано быть ниже его номинального значения.

Полярность

Схемы на постоянном токе, где применяются конденсаторы, полярные, требуют соблюдения полярности.

Опасность разрушения

Есть несколько моментов, когда ёмкостной двухполюсник может прийти в негодность и взорваться. Это может произойти по следующим причинам:

• неправильное подключение электролитического двухполюсника в схему (обратная полярность);
• рабочее напряжение конденсатора длительное время превышает номинальное;
• превышение допустимой рабочей температуры (перегрев);
• пробой в результате старения.

При ошибочном включении электролитического элемента происходят вскипание электролита с выделением газов и разрыв корпуса.

Паразитные параметры

Существуют параметры, которые присутствуют в реальных устройствах и которые также подлежат рассмотрению.

Сопротивление изоляции, утечка и саморазряд

Ток утечки Iут преодолевает диэлектрик по его поверхности по истечении времени. В результате этого происходит саморазряд заряженного двухполюсника. Сопротивление изоляции конденсатора Rd зависит от величины тока утечки и находится в обратной пропорции. Это можно увидеть из формулы:

Rd = U/Iут,

где U – напряжение на элементе.

Эквивалентная схема реального ёмкостного двухполюсника

Эквивалентное последовательное сопротивление (Rs)

Его называют ЭПС (ESR). Это величина, включающая в себя сопротивление пластин, выводов, контактов соединений. Она всегда растёт при повышении частоты проходящего через двухполюсник тока.

Эквивалентная последовательная индуктивность (Li)

Этот вид индуктивности вызван наличием у выводов и пластин элемента личной индуктивности. Вредная особенность – превращать деталь в систему колебаний. Частоту его резонанса указывают в параметрах.

Тангенс угла диэлектрических потерь

В обкладках конденсатора и диэлектрике происходит утрата энергии. Показателем служит угол потерь δ. Когда δ = 0, то потерь нет. Сдвигаясь  вектора тока и напряжения, при пропускании через двухполюсник изменяющегося тока, образуют угол ϕ = π/2 – δ.

Тангенс этого угла находят делением активной на реактивную мощность:

tg δ = Pa/Pp.

Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)

Этот паразитный фактор определяет изменение ёмкости при перемене окружающей температуры. Его значение вносят в документацию для конденсаторов с линейной температурной зависимостью. ТКЕ определяют по формуле:

ТКЕ = ∆С/С∆Т,

где:

• ∆С – ёмкостное изменение;
• ∆Т – температурное колебание.

Учитывается отклонение температуры в 1 С0.

Диэлектрическая абсорбция

От качеств диэлектрика зависит такое явление, как абсорбция. Его наблюдают на полностью разряженном конденсаторе, когда нужно снять разряжающую его нагрузку. Потерявший заряд двухполюсник начнёт выдавать на своих пластинах небольшое напряжение. Оно возникает в результате химической реакции между диэлектриком и пластинами.

Паразитный пьезоэффект

Керамика, используемая при изготовлении изделий, обладает способностью вырабатывать напряжение в результате внешнего механического воздействия. Возникает пьезоэффект, который порождает электрические помехи.

Самовосстановление

Бумажные и плёночные конденсаторы обладают таким свойством. Они могут восстанавливаться после пробоя. Это происходит, благодаря отгоранию места металлизации электрода.

Классификация конденсаторов

Деление ёмкостных двухполюсников происходит по многим факторам. В этом плане различают деления:

• по назначениям;
• по типу диэлектрика;
• по способу регулирования ёмкости;
• по характеру монтажа и сборки;
• по способу защиты от внешних воздействий.

Деление по диэлектрикам является основополагающим для конденсаторов.

Разделение по диэлектрикам

Сравнение конденсаторов постоянной ёмкости

Конденсатор в цепи постоянного тока – это не только электролитический конденсатор. Разные группы ёмкостных элементов имеют свои достоинства и недостатки, которые можно свести в таблицу.

Таблица сравнения конденсаторов

Применение конденсаторов, их работа

Выстроив ряд, по которому допустимо описать способы применения элементов ёмкости, получают следующую линейку:

• цепи фильтров;
• выравнивание пульсаций в блоках питания;
• употребление в виде балласта при установке конденсатора в цепи переменного тока;
• использование конденсаторов, как аккумуляторов, в ограниченный интервал времени, при условии длительного разряда.

Свойства из последнего пункта применяют при движении трамваев на малых участках без тока.

Маркировка конденсаторов

Бывает несколько способов нанесения маркировки на корпус элементов. Количество знаков и цифр зависит от площади поверхности элемента.

Маркировка советских и российских конденсаторов

Определению С конденсатора отечественного производства способствуют нанесённые на корпус численные данные. Рядом могут находиться и другие условные символы.

Старая система обозначений

На элементы 60-х годов выпуска наносились буквенные обозначения. Буквы обозначали следующее:

• конденсатор – К;
• обозначение типа диэлектрика;
• конструктивные отличия.

На некоторых моделях обозначение К не наносилось. Расшифровка производилась, начиная со второй буквы. На некоторых корпусах иногда, а на электролитических – всегда ставилась цифра, означавшая напряжение на конденсаторе.

Новая система обозначений

Буква К – конденсатор, далее идёт цифра, говорящая о диэлектрике. Следующей в ряду наносится буква, указывающая на назначение и номер разработки.

Внимание! На конденсаторах обязательно указаны величина ёмкости и номинальное напряжение.

Параметры выносливости

К этим характеристикам относятся такие данные, как:

• электропрочность;
• надёжность;
• срок работы.

Каждая из них имеет свои особенности.

Электрическая прочность

Эта характеристика зависит от времени приложенного напряжения пробоя. Формула имеет вид:

T = A/Uпр*n,

где:

• А – const, зависящая от диэлектрических свойств;
• n – коэффициент, лежащий в интервале от 3 до 8.

Чем больше время, которое выдерживает элемент, тем выше показатель.

Надежность конденсатора

При применении по назначению конденсаторов надёжность элемента измеряется в количестве отказов в работе за час. Ориентируются на среднюю временную величину, предшествующую первому отказу.

Срок службы конденсатора

Длительность непрерывной и безотказной работы зависит от температурного режима и превышения величин допустимых параметров.

Правильно подобранный конденсатор прослужит долгое время. Единственными условиями выхода его из строя могут стать высыхание диэлектрика и как следствие перегревание.

Видео

Автор:

Гaличeв Илья Виктoрoвич