Конденсаторы, свойства конденсатора, обозначение конденсаторов на схемах, основные параметры. Конденсатор - это что за устройство? Заряд конденсатора Емкость параллельных и последовательных систем
- Перевод
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.
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 состоянием отказа, бывает, что 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
Э лектрические конденсаторы служат для накопления электроэнергии. Простейший конденсатор состоит из двух металлических пластин - обкладок и диэлектрика находящегося между ними. Если к конденсатору подключить источник питания, то на обкладках возникнут разноименные заряды и появится электрическое поле притягивающее их на встречу, друг к другу. Эти заряды остаются после отключения источника питания, энергия сохраняется в электрическом поле между обкладками.
| Параметр конденсатора | Тип конденсатора | ||
| Керамический | Электролитический | На основе металлизированной пленки | |
| От 2,2 пФ до 10 нФ | От 100 нФ до 68000 мкФ | 1 мкФ до 16 мкФ | |
| ± 10 и ±20 | ±10 и ±50 | ±20 | |
| 50 - 250 | 6,3 - 400 | 250 - 600 | |
| Стабильность конденсатора | Достаточная | Плохая | Достаточная |
| От -85 до +85 | От -40 до +85 | От -25 до +85 | |
В керамических конденсаторах диэлектриком является высококачественная керамика: ультрафарфор,тиконд,ультрастеатит и др. Обкладкой служит слой серебра, нанесенный на поверхность. Керамические конденсаторы применяются в разделительных цепях усилителей высокой частоты.
В электролитических полярных конденсаторах диэлектриком служит слой оксида, нанесенный на металлическую фольгу. Другая обкладка образуется из пропитанной электролитом бумажной ленты.
В твердотельных оксидных конденсаторах жидкий диэлектрик заменен специальным токопроводящим полимером. Это позволяет увеличить срок службы(и надежность). Недостатками твердотельных оксидных конденсаторов являются более высокая цена и ограничения по напряжению(до 35 в).
Оксидные электролитические и твердотельные конденсаторы отличаются большой емкостью, при относительно малых размерах. Эта их особенность определяется тем, что толщина оксида - диэлектрика очень мала.
При включении оксидных конденсаторов в цепь, необходимо соблюдать полярность. В случае нарушения полярности, электролитические конденсаторы взрываются, твердотельные - просто выходят из строя. Что бы полностью избежать возможности взрыва(у электролитических конденсаторов), некоторые модели снабжаются предохранительными клапанами(отсутствуют у твердотельных). Область применения оксидных (электролитических и твердотельных) конденсаторов - разделительные цепи усилителей звуковой частоты, сглаживающие фильтры источников питания постоянного тока.
Конденсаторы на основе металлизированной пленки применяются в высоковольтных источниках электропитания.
Таблица 2.
Характеристики слюдяных конденсаторов и конденсаторов на основе
полиэстера и полипропилена.
| Параметр конденсатора | Тип конденсатора | ||
| Слюдяной | На основе полиэстера | На основе полипропилена | |
| Диапазон изменения емкости конденсаторов | От 2,2 пФ до 10 нФ | От 10 нФ до 2,2 мкФ | От 1 нФ до 470 нФ |
| Точность (возможный разброс значений емкости конденсатора), % | ± 1 | ± 20 | ± 20 |
| Рабочее напряжение конденсаторов, В | 350 | 250 | 1000 |
| Стабильность конденсатора | Отличная | Хорошая | Хорошая |
| Диапазон изменения температуры окружающей среды, о С | От -40 до +85 | От -40 до +100 | От -55 до +100 |
Слюдяные конденсаторы изготавливаются путем прокладывания между обкладками из фольги слюдяных пластин, или наоборот - металлизацией слюдяных пластин. Слюдяные конденсаторы находят применение в звуковоспроизводящих устройствах, фильтрах высокочастотных помех и генераторах. Конденсаторы на основе полиэстера - это конденсаторы общего назначения, а конденсаторы на основе полипропилена применяются в высоковольтных цепях постоянного тока.
Таблица 3.
Характеристики слюдяных конденсаторов на основе поликарбоната, полистирена
и тантала.
|
Параметр конденсатора |
Тип конденсатора |
||
|
На основе поликарбоната |
На основе полистирена |
На основе тантала |
|
| Диапазон изменения емкости конденсаторов | От 10 нФ до 10 мкФ | От 10 пФ до 10 нФ | От 100 нФ до 100 мкФ |
| Точность (возможный разброс значений емкости конденсатора), % | ± 20 | ± 2,5 | ± 20 |
| Рабочее напряжение конденсаторов, В | 63 - 630 | 160 | 6,3 - 35 |
| Стабильность конденсатора | Отличная | Хорошая | Достаточная |
| Диапазон изменения температуры окружающей среды, о С | От -55 до +100 | От -40 до +70 | От -55 до +85 |
Конденсаторы на основе поликарбоната используются
в фильтрах, генераторах и времязадающих цепях.
Конденсаторы на основе полистирена и тантала используются тоже, во времязадающих
и разделительных цепях. Они считаются конденсаторами общего назначения.
В металлобумажных конденсаторах общего назначения, обкладки изготавливаются
путем напыления металла на бумагу пропитанную специальным составом и покрытые тонким
слоем лака.
| Код | Емкость(пФ) | Емкость(нФ) | Емкость(мкФ) |
| 109 | 1,0(пФ) | 0,001(нФ) | 0,000001(мкФ) |
| 159 | 1,5(пФ) | 0,0015(нФ) | 0,0000015(мкФ) |
| 229 | 2,2(пФ) | 0,0022(нФ) | 0,0000022(мкФ) |
| 339 | 3,3(пФ) | 0,0033(нФ) | 0,0000033(мкФ) |
| 479 | 4,7(пФ) | 0,0047(нФ) | 0,0000047(мкФ) |
| 689 | 6,8(пФ) | 0,0068(нФ) | 0,0000068(мкФ) |
| 100 | 10(пФ) | 0,01(нФ) | 0,00001(мкФ) |
| 150 | 15(пФ) | 0,015(нФ) | 0,000015(мкФ) |
| 220 | 22(пФ) | 0,022(нФ) | 0,000022(мкФ) |
| 330 | 33(пФ) | 0,033(нФ) | 0,000033(мкФ) |
| 470 | 47(пФ) | 0,047(нФ) | 0,000047(мкФ) |
| 680 | 68(пФ) | 0,068(нФ) | 0,000068(мкФ) |
| 101 | 100(пФ) | 0,1(нФ) | 0,0001(мкФ) |
| 151 | 150(пФ) | 0,15(нФ) | 0,00015(мкФ) |
| 221 | 220(пФ) | 0,22(нФ) | 0,00022(мкФ) |
| 331 | 330(пФ) | 0,33(нФ) | 0,00033(мкФ) |
| 471 | 470(пФ) | 0,47(нФ) | 0,00047(мкФ) |
| 681 | 680(пФ) | 0,68(нФ) | 0,00068(мкФ) |
| 102 | 1000(пФ) | 1(нФ) | 0,001(мкФ) |
| 152 | 1500(пФ) | 1,5(нФ) | 0,0015(мкФ) |
| 222 | 2200(пФ) | 2,2(нФ) | 0,0022(мкФ) |
| 332 | 3300(пФ) | 3,3(нФ) | 0,0033(мкФ) |
| 472 | 4700(пФ) | 4,7(нФ) | 0,0047(мкФ) |
| 682 | 6800(пФ) | 6,8(нФ) | 0,0068(мкФ) |
| 103 | 10000(пФ) | 10(нФ) | 0,01(мкФ) |
| 153 | 15000(пФ) | 15(нФ) | 0,015(мкФ) |
| 223 | 22000(пФ) | 22(нФ) | 0,022(мкФ) |
| 333 | 33000(пФ) | 33(нФ) | 0,033(мкФ) |
| 473 | 47000(пФ) | 47(нФ) | 0,047(мкФ) |
| 683 | 68000(пФ) | 68(нФ) | 0,068(мкФ) |
| 104 | 100000(пФ) | 100(нФ) | 0,1(мкФ) |
| 154 | 150000(пФ) | 150(нФ) | 0,15(мкФ) |
| 224 | 220000(пФ) | 220(нФ) | 0,22(мкФ) |
| 334 | 330000(пФ) | 330(нФ) | 0,33(мкФ) |
| 474 | 470000(пФ) | 470(нФ) | 0,47(мкФ) |
| 684 | 680000(пФ) | 680(нФ) | 0,68(мкФ) |
| 105 | 1000000(пФ) | 1000(нФ) | 1,0(мкФ) |
2. Второй вариант - маркировка производится не в пико, а в микрофарадах, причем вместо десятичной точки ставиться буква µ.
3.Третий вариант.
У советских конденсаторов вместо латинской "р" ставилось "п".
Допустимое отклонение номинальной емкости маркируется буквенно, часто буква следует за кодом определяющим
емкость(той же строкой).
Конденсаторы с линейной зависимостью от температуры.
| ТКЕ(ppm/²C) | Буквенный код |
| 100(+130....-49) | A |
| 33 | N |
| 0(+30....-47) | C |
| -33(+30....-80) | H |
| -75(+30....-80) | L |
| -150(+30....-105) | P |
| -220(+30....-120) | R |
| -330(+60....-180) | S |
| -470(+60....-210) | T |
| -750(+120....-330) | U |
| -500(-250....-670) | V |
| -2200 | K |
Далее следует напряжение в вольтах, чаще всего - в виде обычного числа.
Например, конденсатор на этой картинке промаркирован двумя строчками. Первая(104J) - означает, что его емкость составляет 0,1мкФ(104), допустимое
отклонение емкости не превышает ± 5%(J). Вторая(100V) - напряжение в вольтах.
| Напряжение (В) | Буквеный код |
| 1 | I |
| 1,6 | R |
| 3,2 | A |
| 4 | C |
| 6,3 | B |
| 10 | D |
| 16 | E |
| 20 | F |
| 25 | G |
| 32 | H |
| 40 | C |
| 50 | J |
| 63 | K |
| 80 | L |
| 100 | N |
| 125 | P |
| 160 | Q |
| 200 | Z |
| 250 | W |
| 315 | X |
| 400 | Y |
| 450 | U |
| 500 | V |
Маркировка СМД (SMD) конденсаторов.
Размеры СМД конденсаторов невелики, поэтому маркировка их производится весьма лаконично.
Рабочее напряжение нередко кодируется буквой(2-й и 3-й варианты на рисунке ниже) в соответствии с (вариант 2 на рисунке), либо с использованием двухзначного
буквенно-цифровой кода(вариант 1 на рисунке). При использовании последнего, на корпусе можно обнаружить таки две(а не одну букву) с одной цифрой(вариант 3 на рисунке).
Первая буква может является как кодом изготовителя(что не всегда интересно), так и указываеть на номинальное рабочее напряжение(более полезная информация), вторая - закодированным значением
в пикоФарадах(мантиссой). Цифра - показатель степени(указывает сколько нулей необходимо добавить к мантиссе).
Например EA3 может означать, что номинальное напряжение конденсатора 16в(E) а емкость - 1,0 *1000 = 1 нанофарада,
BF5 соответсвенно, напряжение 6,3в(В), емкость - 1,6* 100000 = 0,1 микрофарад и.т.д.
| Буква | Мантисса. |
| A | 1,0 |
| B | 1,1 |
| C | 1,2 |
| D | 1,3 |
| E | 1,5 |
| F | 1,6 |
| G | 1,8 |
| H | 2,0 |
| J | 2,2 |
| K | 2,4 |
| L | 2,7 |
| M | 3,0 |
| N | 3,3 |
| P | 3,6 |
| Q | 3,9 |
| R | 4,3 |
| S | 4,7 |
| T | 5,1 |
| U | 5,6 |
| V | 6,2 |
| W | 6,8 |
| X | 7,5 |
| Y | 8,2 |
| Z | 9,1 |
| a | 2,5 |
| b | 3,5 |
| d | 4,0 |
| e | 4,5 |
| f | 5,0 |
| m | 6,0 |
| n | 7,0 |
| t | 8,0 |
Использование каких - либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт
Конденсатор встречается в наборах Мастер Кит (да и вообще в электронных устройствах) почти так же часто, как и резистор. Поэтому важно хотя бы в общих чертах представлять его основные характеристики и принцип работы.
Принцип работы конденсатора
В простейшем варианте конструкция состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. Чем больше отношение площади пластин к толщине диэлектрика – тем выше ёмкость конденсатора. Чтобы избежать физического увеличения размеров конденсатора до огромных размеров, конденсаторы изготавливают многослойными: например, сворачивают ленты пластин и диэлектриков в рулон.
Так как любой конденсатор имеет диэлектрик, то он не способен проводить постоянный ток, но он может сохранять электрический заряд, приложенный к его обкладкам, и в нужный момент отдавать его. Это важное свойство
Давайте договоримся: радиодеталь мы называем конденсатором, а его физическую величину – ёмкостью. То есть правильно сказать так: «конденсатор имеет ёмкость 1 мкФ», но некорректно сказать: «замени на плате вон ту ёмкость». Вас, конечно, поймут, но лучше соблюдать «правила хорошего тона».
Электрическая ёмкость конденсатора – это главный его параметр
Чем больше ёмкость конденсатора, тем больший заряд он может сохранить. Электрическая ёмкость конденсатора измеряется в Фарадах, обозначается F.
1 Фарад - очень большая ёмкость (земной шар имеет ёмкость менее 1Ф), поэтому для обозначения ёмкости в радиолюбительской практике используются следующие основные размерные величины - префиксы: µ (микро), n (нано) и p (пико):
1 микроФарад - 10-6 (одна миллионная часть), т.е. 1000000µF = 1F
1 наноФарад - 10-9 (одна миллиардная часть), т.е. 1000nF = 1µF
p (пико) - 10-12 (одна триллионная часть), т.е. 1000pF = 1nF
Как и Ом, Фарад – это фамилия физика. Поэтому, как культурные люди, пишем прописную букву «Ф»: 10 пФ, 33 нФ, 470 мкФ.
Номинальное напряжение конденсатора
Расстояние между пластинами конденсатора (особенно конденсатора большой ёмкости) очень мало, и достигает единиц микрометра. Если приложить к обкладкам конденсатора слишком высокое напряжение, слой диэлектрика может быть нарушен. Поэтому каждый конденсатор имеет такой параметр, как номинальное напряжение. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Но лучше, когда номинальное напряжение конденсатора несколько выше напряжения в схеме. То есть, например, в схеме с напряжением 16В могут работать конденсаторы с номинальным напряжением 16В (в крайнем случае), 25В, 50В и выше. Но нельзя ставить в эту схему конденсатор с номинальным напряжением 10В. Конденсатор может выйти из строя, причём часто это происходит с неприятным хлопком и выбросом едкого дыма.
Как правило, в радиолюбительских конструкциях для начинающих не используется напряжение питания выше 12В, а современные конденсаторы чаще всего имеют номинальное напряжение 16В и выше. Но помнить о номинальном напряжении конденсатора очень важно.
Типы конденсаторов
О разнообразных конденсаторах можно написать много томов. Впрочем, это уже сделали некоторые другие авторы, поэтому я расскажу только самое необходимое: конденсаторы бывают неполярные и полярные (электролитические).
Неполярные конденсаторы
Неполярные конденсаторы (в зависимости от типа диэлектрика подразделяются на бумажные, керамические, слюдяные…) могут устанавливаться в схему как угодно – в этом они похожи на резисторы.
Как правило, неполярные конденсаторы имеют относительно небольшую ёмкость: до 1 мкФ.
Маркировка неполярных конденсаторов
На корпус конденсатора нанесён код из трёх цифр. Первые две цифры определяют значение ёмкости в пикофарадах (пФ), а третья – количество нулей. Так, на изображённом ниже рисунке на конденсатор нанесён код 103. Определим его ёмкость:
10 пФ + (3 нуля) = 10000 пФ = 10 нФ = 0,01 мкФ.
Конденсаторы ёмкостью до 10 пФ маркируются по-особенному: символ «R» в их кодировке обозначает запятую. Теперь Вы можете определить ёмкость любого конденсатора. Приведённая ниже табличка поможет Вам проверить себя.
Как правило, в радиолюбительских конструкциях допустима замена некоторых конденсаторов на близкие по номиналу. Например, вместо конденсатора 15 нФ набор может комплектоваться конденсатором 10 нФ или 22 нФ, и это не отразится на работе готовой конструкции.
Керамические конденсаторы не имеют полярности и могут устанавливаться в любом положении выводов.
Некоторые мультиметры (кроме самых бюджетных) имеют функцию измерения ёмкости конденсаторов, и Вы можете воспользоваться этим способом.
Полярные (электролитические) конденсаторы
Есть два способа увеличения ёмкости конденсатора: либо увеличивать размер его пластин, либо уменьшать толщину диэлектрика.
Чтобы минимизировать толщину диэлектрика, в конденсаторах большой ёмкости (выше нескольких микрофарад) применяется специальный диэлектрик в виде оксидной плёнки. Этот диэлектрик нормально работает только при условии правильно приложенного напряжения на обкладках конденсатора. Если перепутать полярность напряжения, электролитический конденсатор может выйти из строя. Метка полярности всегда маркируется на корпусе конденсатора. Это может быть либо значок «+», но чаще всего в современных конденсаторах полосой на корпусе маркируется вывод «минус». Другой, вспомогательный способ определения полярности: плюсовой вывод конденсатора длиннее, но ориентироваться на этот признак можно только до того, как выводы радиодетали обрезаны.
На печатной плате также присутствует метка полярности (как правило, значок «+»). Поэтому при установке электролитического конденсатора обязательно совмещайте метки полярности и на детали, и на печатной плате.
Как правило, в радиолюбительских конструкциях допустима замена некоторых конденсаторов на близкие по номиналу. Также допустима замена конденсатора на аналогичный с бОльшим значением допустимого рабочего напряжения. Например, вместо конденсатора 330 мкФ 25В набор можно применить конденсатор 470 мкФ 50В, и это не отразится на работе готовой конструкции.
Внешний вид электролитического конденсатора (правильно установленный на плату конденсатор)
В статье мы расскажем про электроемкость, емкость конденсатора, про последовательное и параллельное соединение конденсаторов, а также как использовать закон Гаусса для расчета емкости конденсаторов с примерами и решениями.
Конденсатор (Электроемкость) –элемент, способный накапливать электромагнитную энергию в собственном электрическом поле, образуемом обкладками конденсатора. Обозначается – С . Напряжение и ток на его контактах связано зависимостью:
Величина ёмкости измеряется в фарадах (Ф).
1 фарада – это величина такой ёмкости, на которой имеет место падение напряжения 1 вольт при наличии заряда в ёмкости 1 кулон.
1 фарада – очень большая величина, поэтому применяемые в технике конденсаторы имеют величины: — пикофарад – 10 -12
; нанофарад – 10 -9
; микрофарад – 10 -6
.
Процессы, происходящие в конденсаторе на временном графике при подключении конденсатора к источнику прямоугольного однополярного сигнала, показаны на рисунке.
Из рисунка видно, что в момент подачи прямоугольного импульса источника тока (красный), напряжение на выводах конденсатора (фиолетовый) сначала равно нулю и с изменением времени увеличивается по экспоненте – конденсатор заряжается, а ток конденсатора (зелёный) наоборот сначала максимален, но потом по мере заряда уменьшается по экспоненте. При пропадании импульса, напряжение на выводах конденсатора уменьшается по экспоненте – конденсатор разряжается, а ток, изменивший полярность сначала максимален, и по мере разряда уменьшается из отрицательной области до нуля. Скорость изменения напряжения и тока зависит от значения ёмкости. Чем больше ёмкость, тем медленнее они изменяются (экспонента более вытянута по времени). Напряжение и ток на нагрузочном резисторе ведут себя одинаково, и изображены на временном графике оранжевым цветом. Их взаимосвязь описывается законом Ома.
Фактически, мы рассмотрели «четырёхполюсник» состоящий из конденсатора и резистора, который называют дифференцирующей цепочкой.
Дифференцирующая цепочка применяется для преобразования прямоугольных импульсов большой длительности в прямоугольные импульсы малой длительности. Чтобы, Вам было понятнее, дифференцирующая цепочка и преобразование импульса изображены на следующем рисунке.
Вслед за дифференцирующей цепочкой устанавливается пороговое устройство, не пропускающее через себя всё, что ниже по амплитуде установленного порога, с выхода порогового устройства, срезанные импульсы поступают на усилитель-ограничитель, который усиливает «кривой» импульс и ограничивая его амплитуду «сверху» пропускает его на выход.
Кроме функции преобразования прямоугольных импульсов, дифференцирующая цепочка может применяться в качестве фильтра высоких частот (ФВЧ) . Конденсатор – инертный элемент. Если к конденсатору с большой ёмкостью приложить переменное напряжение низкой частоты, в силу своей инертности, ёмкость будет не способной пропустить через себя ток, ведь конденсатору сначала надо будет зарядиться, а потом отдавать заряд. Свойство конденсатора сопротивляться переменному электрическому току называют реактивным сопротивлением конденсатора , которое используется при конструировании частотных фильтров и колебательных контуров. Реактивное сопротивление конденсатора обозначается Xc или Zc и измеряется в Омах. Реактивное сопротивление конденсатора связано с собственной ёмкостью и частотой тока выражением:
Из формулы видно, что реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте. Другими словами, чем выше частота, тем меньше реактивное сопротивление конденсатора .
Теперь представьте, что дифференцирующая цепь, это – описанный на сайте делитель напряжения, где вместо первого резистора выступает конденсатор. А мы из формулы теперь знаем, что конденсатор легко пропускает высокие частоты – его сопротивление минимально и плохо пропускает низкие частоты – его сопротивление максимально. В радиоэлектронике, когда рассчитывают частотные фильтры, то считают характеристикой фильтра – частоту среза, которая определяется как значение частоты сигнала, на котором амплитуда выходного сигнала уменьшается (затухает) до значения 0,7 от входного сигнала. Чтобы было понятнее, изображу это на рисунке.
То, что изображено, называется амплитудно-частотной характеристикой
, или сокращённо — АЧХ
. Для фильтра высоких частот соответствует АЧХ фиолетового цвета, и частота среза равная значению f2
.
Емкость конденсатора
Как мы уже видели, изолированный проводник может накапливать электрический заряд. Однако на практике мы используем устройства, называемые конденсаторами, для хранения нагрузки. Конденсатор представляет собой систему из двух произвольно изолированных проводников, зарядка конденсатора состоит не в отдельной зарядке каждого из проводников, а в переносе заряда (одинакового на обоих проводниках, но с противоположными знаками) от одного проводника к другому.
Мы определяем электрическую емкость C конденсатора точно так же, как емкость изолированного проводника.
Конденсаторы очень часто используются в технике. Они обычно строятся как система из двух поверхностей с разной изолированной поверхностью, которые обычно располагаются параллельно друг другу. Как будет видно далее, емкость такого конденсатора пропорциональна размеру поверхности пластин и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Таким образом, конденсатор большой емкости имеет большие поверхностные панели, которые расположены как можно ближе друг к другу. Простейшим таким конденсатором является плоский конденсатор, схематически показанный на рисунке ниже.
Пример двух конденсаторов, соединенных вместе, как показано на рисунке ниже (параллельно), может служить иллюстрацией постоянства заряда на крышках конденсаторов, не подключенных к источнику напряжения. Первоначально система нагрузки, которая охватывает один конденсатор заряда Q 1 и на крышке второго заряда Q 2 . Потенциал, на котором расположены верхние крышки, одинаков для обоих (крышки связаны с лампочкой). Когда мы начнем изменять расстояния между крышками одного из конденсаторов, то мы изменим его емкость — чем меньше зазор между крышками, тем больше емкость конденсатора. Поскольку общий заряд обоих конденсаторов неизменен, это изменение емкости вызовет перенос заряда между конденсаторами. Если конденсаторы заряжены достаточно большим зарядом, лампочка может светиться во время потока между крышками, образующими верхнюю пару. Энергия, необходимая для освещения лампы, исходит от работы, которую мы выполняем при перемещении крышки (верхняя и нижняя крышки заряжены противоположными знаками и поэтому притягиваются).
Схемы соединения конденсаторов
Существует множество различных схем соединения конденсаторов: последовательное подключение, параллельное, мостовое. И меняется абсолютно все показатели (Емкость, разность потенциалов, общая нагрузка) при различных видах подключения
Последовательное соединение конденсаторов
При последовательном соединении конденсаторов, как показано на рисунке ниже, значения зарядов на всех крышках всех конденсаторов одинаковы.
Разность потенциала в последовательной цепи конденсаторов равно сумме разностей потенциалов на отдельных конденсаторах:
Следовательно, совокупная емкость С последовательной системы определяется по формуле
Параллельное соединение конденсаторов
В параллельном соединении конденсаторов
общая нагрузка Q, накопленная в системе, равна сумме зарядов на крышках всех конденсаторов.
Уменьшение потенциала одинаково на каждом из конденсаторов и, следовательно,
Следовательно, общая емкость C параллельной системы равна сумме емкостей всех конденсаторов.
Мостовое соединение конденсаторов
Последовательные и параллельные соединения не исчерпывают всех возможных конфигураций, которые могут быть получены при подключении конденсаторов. Мы сможем описать все возможные конфигурации только после завершения предыдущих соединений с мостовым соединением, схема которых показана на левом рисунке ниже.
Мы не можем напрямую заменить мостовые комбинации любой комбинацией последовательных и параллельных соединений. Чтобы рассчитать запасную емкость системы моста, используйте изменение треугольника конденсатора на эквивалентную звезду, как показано на среднем и правом рисунках выше.
Емкости между точками 1-2, 2-3 и 3-1, которые мы обозначаем как C 12 , C 23 и C 31 , должны быть одинаковыми в обеих конфигурациях. На основе значений емкости C 1 , C 2 и C 3 рассчитывают C x , C y и C z . Условия равной емкости в обеих конфигурациях, для треугольника и для звезды, запишем как
Отсюда мы получаем искомые значения C x , C y и C z:
После замены треугольника на звезду мостовое соединение исчезает, и на его месте мы получаем простую и удобную для вычисления комбинацию последовательных и параллельных конденсаторов.
Использование закона Гаусса для расчета емкости конденсаторов
Имея емкость конденсатора с заданной геометрией для расчета, мы используем следующую схему:
Мы исходим из определения емкости конденсатора. Вставьте разность потенциалов Vab в формулу, определяющую эту емкость. Нагрузка Q уменьшается.
но нам не хватает разности потенциалов Vab, которую мы находим из соотношения между полями E и V,
3. Однако сначала мы должны знать E, и для этого мы будем использовать универсальный инструмент, который является законом Гаусса.
Конденсатор - это двухполюсник с определённым или переменным значением ёмкости и малой проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля.
Конденсатор является пассивным электронным компонентом. В простейшем варианте конструкция состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. Практически применяемые конденсаторы имеют много слоёв диэлектрика и многослойные электроды, или ленты чередующихся диэлектрика и электродов, свёрнутые в цилиндр или параллелепипед со скруглёнными четырьмя рёбрами (из-за намотки).
Изобрел первую конструкцию-прототип электрического конденсатора «лейденскую банку» в 1745 году, в Лейдене, немецкий каноник Эвальд Юрген фон Клейст и независимо от него голландский физик Питер ван Мушенбрук.
Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течёт, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора, замыкаясь так называемым током смещения.
Резонансная частота конденсатора равна: f р = 1/ (2∏ ∙ √ L с ∙ C ) .
При f > fp конденсатор в цепи переменного тока ведёт себя как катушка индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах f < fp , на которых его сопротивление носит ёмкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 2-3 раза ниже резонансной.
Отечественные неполярные конденсаторы:
На электрических принципиальных схемах номинальная ёмкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1 мкФ = 1·10 6 пФ = 1·10 −6 Ф) и пикофарадах, но нередко и в нанофарадах (1 нФ = 1·10 −9 Ф). При ёмкости не более 0,01 мкФ, ёмкость конденсатора указывают в пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу измерения, то есть постфикс «пФ» опускают. При обозначении номинала ёмкости в других единицах указывают единицу измерения. Для электролитических конденсаторов, а также для высоковольтных конденсаторов на схемах, после обозначения номинала ёмкости, указывают их максимальное рабочее напряжение в вольтах (В) или киловольтах (кВ). Например так: «10 мкФ x 10 В». Для переменных конденсаторов указывают диапазон изменения ёмкости, например так: «10 - 180».
Основные параметры конденсаторов:
- Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость , характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками. Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до тысяч микрофарад. Однако существуют конденсаторы (ионисторы) с ёмкостью до десятков фарад.
- Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью - отношением ёмкости к объёму (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя.
- Плотность энергии электролитического конденсатора зависит от конструктивного исполнения. Максимальная плотность достигается у больших конденсаторов, где масса корпуса невелика по сравнению с массой обкладок и электролита.
- Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение - значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах. Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается, что связано с увеличением тепловой скорости движения носителей заряда и, соответственно, снижению требований для образования электрического пробоя.
- Полярность . Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса.
Обозначение на схемах:
Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность ёмкости, величину потерь и др.
По виду диэлектрика различают:
- Конденсаторы вакуумные (между обкладками находится вакуум).
- 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 большой удельной ёмкостью. В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металлическом аноде. 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 или спечённого порошка. Время наработки на отказ типичнного электролитического конденсатора 3000-5000 часов при максимально допустимой температуре, качественные конденсаторы имеют время наработки на отказ не менее 8000 часов при температуре 105°С. Рабочая температура - основной фактор, влияющий на продолжительность срока службы конденсатора. Если нагрев конденсатора незначителен из-за потерь в диэлектрике, обкладках и выводах, (например, при использовании его во времязадающих цепях при небольших токах или в качестве разделительных), можно принять, что интенсивность отказов снижается вдвое при снижении рабочей температуры на каждые 10 °C вплоть до +25 °C. Твердотельные конденсаторы - вместо традиционного жидкого электролита используется специальный токопроводящий органический полимер или полимеризованный органический полупроводник. Время наработки на отказ ~50000 часов при температуре 85°С. ЭПС меньше чем у жидко-электролитических и слабо зависит от температуры. Не взрываются.
Вакуумный конденсатор:
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 радиоприёмниках 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.
Два бумажных электролитических конденсатора 1930 года:
В 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 распространённые низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы.
Серебрянный конденсатор для аудио.
Также различают конденсаторы по форме обкладок:
Возможно, будет полезно почитать:
- Гадания на Рождество: пусть приоткроется завеса тайны ;
- Год Обезьяны - характеристика ;
- Можно ли есть сырую картошку ;
- Может ли квас быть полезным при беременности ;
- Колоноскопия - «больно ли делать колоноскопию? ;
- Что означает встреча во сне Подготовка и процесс ;
- Диета при мерцательной аритмии сердца: разрешенные и запрещенные продукты, примерное меню ;
- Закон о независимой оценке квалификаций принят ;