Конденсаторы, свойства конденсатора, обозначение конденсаторов на схемах, основные параметры. Электрический конденсатор

Конденсаторы

Конденсатор – один из самых распространённых радиоэлементов. Роль конденсатора в электронной схеме заключается в накоплении электрического заряда, разделения постоянной и переменной составляющей тока, фильтрации пульсирующего тока и многое другое.

Конструктивно конденсатор состоит из двух проводящих обкладок, изолированных диэлектриком. В зависимости от конструкции и назначения конденсатора диэлектриком может служить воздух, бумага, керамика, слюда.

Основными параметрами конденсаторов являются:

Номинальная ёмкость . Ёмкость измеряют в Фарадах (Ф) . Ёмкость в 1 Фараду очень велика. К примеру, земной шар имеет ёмкость менее 1 Ф, а точнее около 710 мкф. Правда, тут надо понимать, что физики любят аналогии. Говоря про электрическую ёмкость земного шара, они имеют ввиду, что в качестве примера взят металлический шар размером с планету Земля и являющийся уединённым проводником. Это всего лишь аналогия. В технике существует электронный компонент, который обладает ёмкостью более 1 Фарады – это ионистор .

В основном, в электронике и радиотехнике используются конденсаторы с ёмкостью равной миллионной доле фарады – микрофарада (1мкФ = 0,000001 Ф ). Также находят применение конденсаторы с ёмкостями исчисляемыми десятками – сотнями нанофарад (1нФ = 0,000000001 Ф ) и пикофарад (1пФ = 0,000000000001 Ф). Номинальную ёмкость указывают на корпусе конденсатора.

Чтобы не запутаться в сокращениях (мкФ, нФ, пФ), и научиться переводить микрофарады в пикофарады, а нанофарады в микрофарады необходимо знать о сокращённой записи численных величин .

Номинальное напряжение . Это напряжение, при котором конденсатор выполняет свои функции. При превышении допустимого значения конденсатор будет пробит, то есть, превратится в обычный проводник. Диапазон допустимых значений рабочих напряжений конденсаторов лежит в пределах от нескольких вольт до единиц киловольт (1 киловольт – 1 000 вольт ). Номинальное напряжение маркируют на корпусе конденсатора.

Изображается конденсатор на принципиальных схемах так, как показано на рисунке.

Кроме обычных существуют ещё и электролитические конденсаторы . Емкость их намного больше, чем у обычных, следовательно, габариты также существенно больше. Отличительная особенность электролитических конденсаторов – полярность . Если обычные конденсаторы можно впаивать в схему не беспокоясь о полярности прикладываемого к конденсатору напряжения, то электролитический конденсатор необходимо включать в схему строго в соответствии с полярностью напряжения. У электролитических конденсаторов один вывод плюсовой, другой минусовой.

Обозначение электролитического конденсатора на схемах.

Также широкое применение получили подстроечные конденсаторы. Подстроечные конденсаторы необходимы в тех случаях, когда требуется точная подстройка ёмкости в электронной схеме. В таких конденсаторах подстройку ёмкости производят один раз или очень редко.

Обозначается так.

Наряду с подстроечными конденсаторами существуют и конденсаторы переменной ёмкости . В отличие от подстроечных, переменные конденсаторы служат для частой подстройки ёмкости. В простом (не цифровом) приёмнике настройка на радиостанцию как раз и осуществляется с помощью конденсатора переменной ёмкости.

Свойства конденсатора

• Конденсатор не пропускает постоянный ток и является для него изолятором.

  Для переменного тока конденсатор не является преградой. Сопротивление конденсатора (ёмкостное сопротивление) переменному току уменьшается с увеличением его ёмкости и частоты тока, и наоборот, увеличивается с уменьшением его ёмкости и частоты тока.

Свойство конденсатора оказывать разное сопротивление переменному току нашло широкое применение. Конденсаторы используют для фильтрации, отделения одних частот от других, отделения переменной составляющей от постоянной…

Вот так выглядят конденсаторы постоянной ёмкости.



Электролитический конденсатор. Длинный вывод – плюсовой, короткий – минусовой.



Планарный электролитический конденсатор. На корпусе указана номинальная ёмкость – 22 мкФ (22) , номинальное напряжение – 16 Вольт (16V) . Видно, что емкость обозначена только цифрами. Ёмкость электролитических конденсаторов указывается в микрофарадах.



Со стороны отрицательного вывода конденсатора на верхней части корпуса чёрный полукруг.

Свойства конденсатора

Конденсатор не пропускает постоянный ток и является для него изолятором.

Для переменного тока конденсатор не является преградой. Сопротивление конденсатора (ёмкостное сопротивление) переменному току уменьшается с увеличением его ёмкости и частоты тока, и наоборот, увеличивается с уменьшением его ёмкости и частоты тока.

Свойство конденсатора оказывать разное сопротивление переменному току нашло широкое применение. Конденсаторы используют для фильтрации, отделения одних частот от других, отделения переменной составляющей от постоянной…

Из чего делают конденсаторы

Простейший конденсатор состоит из 2-х металлических пластин (обкладок), разделённых изолятором (диэлектриком). Если одну обкладку конденсатора зарядить положительно, а другую отрицательно, то разноимённые заряды, притягиваясь друг к другу, будут удерживаться на обкладках. Поэтому конденсатор может быть накопителем электрической энергии.

Обкладки конденсатора обычно изготавливают из алюминия, меди, серебра, тантала. В качестве диэлектрика применяют специальную конденсаторную бумагу, слюду, синтетические плёнки, воздух, специальную керамику и т.п.

Если использовать обкладки из фольги и многослойный пленочный диэлектрик, то можно изготовить конденсаторы рулонного типа, у которых удельная аккумулирующая способность находится приблизительно в пределах от 0,1 J/kg до 1 J/kg или от 0,03 mWh/kg до 0,3 mWh/kg. Из-за малой удельной аккумулирующей способности конденсаторы такого вида не подходят для длительного сохранения существенного количества энергии, но они широко применяются как источники реактивной мощности в цепях переменного тока и как емкостные сопротивления. Значительно более эффективно энергия может аккумулироваться в электролитических конденсаторах, принцип устройства которых изображен на рис. 2.

1 металлический лист или фольга (алюминий, тантал или др.),
2 диэлектрик из окиси металла (Al2O3 , Ta2O5 или др.),
3 бумага и т. п., пропитанная электролитом (H3BO3 , H2SO4 , MnO2 или др.) и глицерином.Так как толщина слоя диэлектрика в этом случае обычно остается в пределах 0,1 µm, то эти конденсаторы могут изготовляться с очень большой емкостью (до 1 F), но на относительно малое напряжение (обычно на несколько вольт).

Еще большую емкость могут иметь ультраконденсаторы (супер-конденсаторы, ионисторы), обкладками которых служит двойной электрический слой толщиной в несколько десятых долей нанометра на границе раздела электрода, изготовленного из микропористого графита, и электролита (рис. 3).

1 электроды из микропористого графита,
2 электролит

Эффективная площадь обкладок таких конденсаторов достигает, благодаря пористости, до 10 000 m2 на каждый грамм массы электродов, что позволяет достигать очень большой емкости при очень малых размерах конденсатора. В настоящее время ультраконденсаторы выпускаются на напряжение до 2,7 V и емкостью до 3 kF. Их удельная аккумулирующая способность находится обычно в пределах от 0,5 Wh/kg до 50 Wh/kg и имеются опытные образцы с удельной аккумулирующей способностью до 300 Wh/kg.
Выгодны они тогда, когда энергия потребляется в виде коротких импульсов (например, для питания стартера двигателей внутреннего сгорания) или когда требуется быстрая (секундная) зарядка аккумулирующего устройства. Например, в 2005 году в Шанхае началась опытная эксплуатация ультраконденсаторных автобусов, батарея конденсаторов которых заряжается во время стоянки автобуса на каждой остановке.

При выборе конденсатора для конкретного устройства нужно учитывать следующие обстоятельства:

а) требуемое значение емкости конденсатора (мкФ, нФ, пФ),

б) рабочее напряжение конденсатора (то максимальное значение напряжения, при котором конденсатор может работать длительно без изменения своих параметров),

в) требуемую точность (возможный разброс значений емкости конденсатора),

г) температурный коэффициент емкости (зависимость емкости конденсатора от температуры окружающей среды),

д) стабильность конденсатора,

е) ток утечки диэлектрика конденсатора при номинальном напряжении и данной температуре. (Может быть указано сопротивление диэлектрика конденсатора.)

Применение

Во всех радиотехнических и электронных устройствах кроме транзисторов и микросхем применяются конденсаторы. В одних схемах их больше, в других меньше, но совсем без конденсаторов не бывает практически ни одной электронной схемы.

При этом конденсаторы могут выполнять в устройствах самые разные задачи. Прежде всего, это емкости в фильтрах выпрямителей и стабилизаторов. С помощью конденсаторов передается сигнал между усилительными каскадами, строятся фильтры низких и высоких частот, задаются временные интервалы в выдержках времени и подбирается частота колебаний в различных генераторах.

Свою родословную конденсаторы ведут от лейденской банки, которую в середине XVIII века в своих опытах использовал голландский ученый Питер ван Мушенбрук. Жил он в городе Лейдене, так что нетрудно догадаться, почему так называлась эта банка.

Собственно это и была обыкновенная стеклянная банка, выложенная внутри и снаружи оловянной фольгой – станиолем. Использовалась она в тех же целях, как и современная алюминиевая, но тогда алюминий открыт еще не был.Единственным источником электричества в те времена была электрофорная машина, способная развивать напряжение до нескольких сотен киловольт. Вот от нее и заряжали лейденскую банку. В учебниках физики описан случай, когда Мушенбрук разрядил свою банку через цепь из десяти гвардейцев взявшихся за руки.В то время никто не знал, что последствия могут быть трагическими. Удар получился достаточно чувствительным, но не смертельным. До этого не дошло, ведь емкость лейденской банки была незначительной, импульс получился очень кратковременным, поэтому мощность разряда была невелика.

Конденсаторы - это не только элементы радио и электрических цепей. В природе мы встречаемся с естественными конденсаторами во время грозы, когда разноимённо заряженные облака разряжаются относительно друг друга или земли. Образуется молния и гремит гром.

Конденсаторы широко применяют в системах энергоснабжения промышленных предприятий и электрифицированных железных дорог для улучшения использования электрической энергии при переменном токе. На э. п. с. и тепловозах конденсаторы используют для сглаживания пульсирующего тока, получаемого от выпрямителей и импульсных прерывателей, борьбы с искрением контактов электрических аппаратов и с радиопомехами, в системах управления полупроводниковыми преобразователями, а также для создания симметричного трехфазного напряжения, требуемого для питания электродвигателей вспомогательных машин. В радиотехнике конденсаторы служат для создания высокочастотных электромагнитных колебаний, разделения электрических цепей постоянного и переменного тока и др. 1.В радиотехнической и телевизионной аппаратуре – для создания колебательных контуров, их настройки, блокировки, разделения цепей с различной частотой, в фильтрах выпрямителей и т.д.

2.В радиолакационной технике – для получения импульсов большей мощности, формирования импульсов и т.д.

3. В телефонии и телеграфии – для разделения цепей переменного и постоянного токов, разделения токов различной частоты, искрогашения в контактах, симметрирования кабельных линий и т.д.

4. В автоматике и телемеханике – для создания датчиков на емкостном принципе, разделения цепей постоянного и пульсирующего токов, искрогашения в контактах, в схемах тиратронных генераторов импульсов и т.д.

5. В технике счетно-решающих устройств – в специальных запоминающих устройствах и т.д.

6. В электроизмерительной технике – для создания образцов емкости, получения переменной емкости (магазины емкости и лабораторные переменные конденсаторы), создания измерительных приборов на емкостном принципе и т. д.

7. В лазерной технике – для получения мощных импульсов.

В современной электроэнергетике конденсаторы находят себе также весьма разнообразное и ответственное применение:

для улучшения коэффициента мощности и промышленных установок (косинусные или шунтовые конденсаторы);

для продольной емкости компенсации дальних линий передач и для регулирования напряжения в распределительных сетях (серийные конденсаторы);

для емкостного отбора энергии от линий передач высокого напряжения и для подключения к линиям передач специальной аппаратуры связи и защитной аппаратуры (конденсаторы связи);

для защиты от перенапряжений;

для применения в схемах импульсов напряжения (ГИН) и генераторов мощных импульсов тока (ГИТ), используемых при испытаниях электротехнической аппаратуры;

для электрической сварки разрядом;

для пуска конденсаторных электродвигателей (пусковые конденсаторы) и для создания нужного сдвига фаз в дополнительной обмотке этих двигателей;

в устройствах освещения люминесцентными лампами;

для подавления радиопомех, создаваемых электрическими машинами и подвижным составом электрифицированного транспорта.

Кроме электроники и электроэнергетики, конденсаторы применяют и в других неэлектротехнических областях техники и промышленности для следующих основных целей:

В металлопромышленности - в высокочастотных установках для плавки и термической обработки металлов, в электроэрозионных (электроискровых) установках, для магнитоимпульсной обработки металлов и т.д.

В добывающей промышленности (угольной, металлорудной и т.п.) – в рудничном транспорте на конденсаторных электровозах нормальной и повышенной частоты (бесконтактных), в электровзрывных устройствах с использованием электрогидравлического эффекта и т.д.

В автотракторной технике – в схемах зажигания для искрогашения в контактах и для подавления радиопомех.

В медицинской технике – в рентгеновской аппаратуре, в устройствах электротерапии и т.д.

В технике использования атомной энергии для мирных целей – для изготовления дозиметров, для кратковременного получения больших токов и т.д.

В фотографической технике – для аэрофотосъемки, получения вспышки света при обычном фотографировании и т.д.

Разнообразие областей применения обусловливает исключительно большое разнообразие типов конденсаторов, используемыз современной техникой. Поэтому наряду с миниатюрными конденсаторами, имеющими вес менее грамма и размеры порядка нескольких миллиметров, можно встретить конденсаторы с весом в несколько тонн и по высоте превышающие человеческий рост. Емкость современных конденсаторов может составлять от долей пикофарады до нескольких десятков и даже сотен тысяч микрофарад в единице, а номинальное рабочее напряжение может лежать в пределах от нескольких вольт до нескольких сотен киловольт.

Роль конденсатора в электронной схеме заключается в накоплении электрического заряда, разделения постоянной и переменной составляющей тока, фильтрации пульсирующего тока и многое другое

В советское время, когда многие стационарные электронные часы питались от розетки, а компактные и дешевые аккумуляторы еще не изобрели, умельцы ставили туда конденсаторы, чтобы при пропадании электроэнергии, например кратковременном, они могли работать и не сбить свой ход.

§ 1.1. Функции и области применения

Электрические конденсаторы в электрон-

ных, радиотехнических, электротехнических

и электроэнергетических устройствах выпол-

няют функции накопителя энергии, источ-

ника реактивной мощности, частотно-зави-

симого реактивного сопротивления. Осуще-

ствляют они это благодаря своей способ-

ности накапливать электрическую энергию,

а затем отдавать ее в нагрузочную цепь.

Импульсы тока большой мощности ис-

пользуются для создания экстремальных

по напряженности магнитных полей и мощ-

ных дуговых разрядов в газах и жидко-

Импульсы высокого и сверхвысокого

напряжений применяются в технике высо-

ких напряжений в испытательных и иссле-

довательских целях.

Емкостные накопители энергии исполь-

зуются в установках для исследования

физики плазмы, термоядерных реакций, ис-

пытаний различного оборудования, в элект-

ротехнологических устройствах (магнитно-

импульсная штамповка, установки, исполь-

зующие электрогидравлический удар, им-

пульсная электросварка, намагничивание,

ультразвуковая технология, электроискро-

вая технология обработки, электроплазмо-

лиз и т. д.). Накопительные конденсаторы

широко используются в различных устрой-

ствах импульсной связи, радиолокации,

навигации, в импульсных источниках све-

та (высокоинтенсивные источники - лам-

пы-вспышки, сигнальные установки - мая-

ки, оптические квантовые генераторы - ла-

зеры и т. д.), импульсной рентгеновской

Конденсаторы применяются в технике

сейсморазведки (электродинамическое им-

пульсное возбуждение упругих волн в зем-

ной коре), для подрыва детонаторов, в ме-

дицине (импульсный дефибриллятор)

Накопители для генераторов мощных им-

пульсов тока могут быть простейшими (в

виде конденсатора или батарей конденса-

торов) и более сложными (искусственные

длинные линии, например, цепочный фор-

мирователь, либо набор параллельных LC-

формирователей).

В них конденсаторы относительно дол-

го накапливают электрическую энергию от

сравнительно маломощного источника, а

затем быстро отдают ее в нагрузку. Нако-

пительные конденсаторы используются, в

частности, в днодно-конденсаторных умно-

жителях напряжения.

Основным рабочим процессом в ряде

устройств с емкостным накоплением энер-

гии является не отдача ее в нагрузку, а

накопление. Способность конденсатора

быстро накапливать электрическую энер-

гию используется при создании различных

устройств для защиты электрического обо-

рудования и его элементов от перенапря-

жений, обусловленных грозовыми или ком-

мутационными явлениями. Это свойство, а

также сравнительно малые габариты, вы-

сокая надежность конденсаторов обусло-

вили, в частности, их широкое использова-

ние в демпфирующих цепях мощных

высоковольтных преобразователей, для вы-

равнивания напряжений на последователь-

но включенных вентилях.

В тиристорных преобразователях (вы-

прямителях, инверторах, импульсных регу-

ляторах), в бесконтактной коммутацион-

ной аппаратуре конденсаторы применяют

для принудительного включения и выклю-

чения диодов и вентилей с неполной управ-

ляемостью. Коммутирующие конденсаторы

в бесконтактных аппаратах работают в

накопительном режиме, тогда как в пре-

образователях рабочими процессами обыч-

но являются заряд и разряд (или пере-

заряд) конденсатора.

Свойство конденсатора накапливать

электрическую энергию широко применяет-

ся и для подавления импульсных помех в

различном электронном оборудовании, для

создания ячеек памяти ЭВМ, интегрирова-

ния и дифференцирования электрических

сигналов (аналоговые ЭВМ, системы ав-

томатики, управления и т. д.).

Широко используются накопительные

свойства конденсаторов при их применении

в разнообразных импульсных устройствах

малой мощности: в генераторах импульсов

тока и напряжения специальной формы

(развертывающие, измерительные устройст-

ва н т. д.). в автоколебательных и спуско-

вых устройствах. Конденсаторы очень час то служат источником реактивной мощ-

ности. Это свойство проявляется тогда,

когда на них воздействует переменное

(обычно синусоидальное по форме) напря-

жение. Ток, протекающий через конденса-

тор, опережает напряжение на угол, близ-

кий к π/2, т. е. конденсатор, почти не по-

требляя активную мощность, генерирует

реактивную. Эта способность используется

для повышения коэффициента мощности

потребителей электрической энергии путем

частичной или полной компенсации их

реактивной мощности, что снижает потери

энергии в генераторах, трансформаторах,

электрических сетях, повышает устойчи-

вость параллельной работы энергосистем,

стабилизирует напряжение у потребителей.

Для повышения устойчивости парал-

лельной работы и пропускной способности

линий электропередачи, а также для улуч-

шения режима работы энергосистем при-

меняют установки продольной компенса-

ции, главным элементом которых являют-

ся мощные батареи конденсаторов, осуще-

ствляющие компенсацию индуктивных

сопротивлений высоковольтных линий

электропередачи. Установки продольной

компенсации реактивной мощности исполь-

зуются на электрифицированных железных

В последнее время батареи конденсато-

ров продольной компенсации стали приме-

няться для руднотермнческих плавильных

печей большой мощности (тысячи и десят-

ки тысяч киловатт), т. е. при резко пере-

менной нагрузке.

Продольная емкостная компенсация

реактивной мощности эффективно исполь-

зуется для пуска асинхронных машин

большой мощности при их питании по ли-

ниям с большим сопротивлением (линии

недостаточной мощности и относительно

большой длины). В энергосистемах кон-

денсаторы применяются в батареях как

продольной, так и поперечной централизо-

ванной компенсации реактивной мощности.

Они обеспечивают снижение потерь энер-

гии и улучшают режимы работы энерго-

систем (совместно с электростанциями

обеспечивают необходимые напряжения в

узлах и потоки энергии). В обоих видах

батарей используется последовательно-па-

раллельное соединение большого числа

единичных конденсаторов.

Конденсаторы широко применяются не

только в установках централизованной

компенсации реактивной мощности, но и в

установках для групповой и индивидуаль-

ной компенсации. Такими примерами мо-

гут служить конденсаторы для светильни-

ков с газоразрядными лампами, пусковые

и рабочие конденсаторы однофазных асин-

хронных электродвигателей (в этом случае

основная функция конденсаторов заключа-

ется в создании фазового сдвига π/2

между токами обмоток двигателей), кон-

денсаторы, повышающие очень низкий

коэффициент мощности индукционных

электротермических установок промышлен-

ной и повышенных частот. Групповая и

индивидуальная компенсация реактивной

мощности потребителей дает большой эко комический эффект в связи со снижением

потерь энергии при ее передаче, уменьше-

нием посадки напряжения при пиковых

реконструкции энергетических сетей (из-за

недостаточной мощности питающих линий,

трансформаторов и т. д.).

Способность конденсаторов компенси-

ровать реактивную мощность потребителей

электроэнергии применяется не только на

частоте 50-6 0 Гц, но и на повышенных

частотах работы, например, бортовых сис-

тем транспортных средств, электротермиче-

ских установок. В этом случае существен-

но снижаются масса и габариты первично-

го генератора электроэнергии.

Компенсация конденсаторами реактив-

ной мощности асинхронной машины позво-

ляет создавать асинхронные генераторы,

эффективные при переменной скорости вра-

щения первичного двигателя (гидравличе-

ские, газовые турбины). В них конденсато-

ры обеспечивают возбуждение магнитного

потока и компенсацию реактивной мощ-

ности нагрузки.

Полная компенсация конденсаторами

реактивной мощности катушек индуктив-

ностей происходит также в мощных коле-

бательных контурах генераторов радиопе-

редатчиков. Без конденсаторов невозможна

работа этих устройств с высоким коэффи-

циентом полезного действия и малыми ис-

кажениями, а также генерирование боль-

ших активных мощностей.

Другое свойство конденсаторов - изме-

нять свое реактивное сопротивление при

переменном токе обратно пропорционально

частоте (x с =1/2 π / С)-широк о использу-

ется при создании различных фильтров в

радиотехнических, электронных, электро-

технических устройствах, служащих для

разделения напряжений и токов различных

Фильтры низких, высоких частот, поло-

совые и режекторные, представляющие со-

бой комбинацию индуктивных и емкостных,

резистнвных и емкостных элементов, явля-

ются неотъемлемыми узлами большинства

электронных и радиотехнических устройств.

Фильтры используются также в энергети-

ческих системах. С их помощью маломощ-

ные высокочастотные сигналы, применяе-

мые для связи, телемеханики, систем про-

тивоаварийной автоматики и других целей,

отделяются от напряжений промышленной

частоты высокого напряжения. Силовые

фильтры используются в электроэнергети-

ке для приближения формы напряжения к

синусоидальной при наличии источников

высших гармоник (выпрямителей), дуго-

вых печей и др.), в силовых полупровод-

никовых преобразователях, работающих в

автономном или в ведомом сетью режиме.

В реактивных фильтрах, резонансных

умножителях напряжения и других устрой-

ствах используются резонансные свойства

цепей, состоящих из конденсаторов к ии-

дуктнвностей.

Конденсаторы применяются в фильтрах

не только переменного, но н постоянного

тока, в которых полезной составляющей

является постоянное напряжение, а задача

фильтра заключается в сглаживании пуль

саций напряжения (путем снижения пере-

менной составляющей), т. е. здесь одно-

временно используется способность кон-

денсатора накапливать энергию и снижать

свое сопротивление с частотой. Такие

фильтры применяются в блоках питания

различных электронных и электротехни-

ческих устройств, например, в высоковольт-

ных установках электростатической окрас-

ки, очистки газов, в импульсных стабилиза-

торах напряжения, ЭВ М и др.

Свойство конденсаторов снижать свое

сопротивление с ростом частоты обуслав-

ливает их широкое использование в элект-

ронной и радиоэлектронной аппаратуре в

качестве блокирующего или помехоподав-

ляющего элемента. Роль конденсатора в

этом и в предыдущем случаях заключает-

ся в том, чтобы замкнуть путь высокочас-

тотных токов, не допустив их прохожде-

ния через другие цепи и элементы уст-

ройств, например в питающую сеть.

Конденсаторы являются неотъемлемым

элементом фазосдвигающих цепей элект-

ронных устройств систем автоматики, уп-

равления, в LC- и RС-генераторах, в ак-

тивных фильтрах и т. д.

Одна из многочисленных задач, решае-

мых с помощью конденсаторов, заключает-

ся в делении переменного напряжения,

осуществляемого при различных изменени-

ях в высоковольтных цепях, в электроэнер-

гетических системах, испытательных уста-

новках, в равномерном распределении на-

пряжения на разрывных промежутках воз-

душных высоковольтных выключателей и

для других целей.

Конденсаторы широко используются:

В емкостных делителях напряжения

для отбора энергии от высоковольтных ли-

ний электропередачи (при небольших мощ-

ностях стоимость конденсаторного отбора

ниже стоимости устройства отбора энергии

с помощью обычных трансформаторов);

Как балластное сопротивление в лю-

минесцентных источниках света, лампах

накаливания, а также в маломощных ус-

тройствах для зарядки аккумуляторов;

Во вторичных источниках питания со

специальными характеристиками (стабили-

заторы тока, напряжения), в частности, в

индуктивно-емкостных преобразователях,

служащих для питания неизменным током

установок плазменной технологии, сварки

Индуктивно-емкостные устройства при-

меняются и для симметрирования напря-

жений трехфазной сети при наличии несим-

метричных потребителей, а также для соз-

дания расщепителей числа фаз, необходи-

мых для питания трехфазных потребителей

от однофазной сети.

Таким образом, область применения

конденсаторов достаточно широка: энерге-

тика, промышленность, транспорт, устрой-

ства связи, автоматика, вещание, локация,

измерительная и вычислительная техника

Справочник

по электрическим

конденсаторам

Общие сведения,

выбор и применение

Под общей редакцией

кандидата технических наук

В. В. Ермуратског о

• 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

Являются второй, по распространенности и степени использования, после резисторов, деталью в электронных схемах. Действительно, в любом электронном устройстве, будь то мультивибратор на 2 транзисторах или материнская плата компьютера, во всех них находят применение эти радиоэлементы.

Конденсатор обладает свойством накапливать заряд и впоследствии отдавать его. Простейший конденсатор представляет собой 2 пластины, разделенные тонким слоем диэлектрика. Емкостное сопротивление конденсатора зависит от его емкости и частоты тока. Конденсатор проводит переменный ток и не пропускает постоянный. Емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь пластин (обкладок) конденсатора, и тем больше, чем тоньше слой диэлектрика между ними.

Емкости параллельно соединенных конденсаторов складываются. Емкости последовательно соединенных конденсаторов считаются по формуле, приведенной на рисунке ниже:

Конденсаторы бывают как постоянной, так и переменной емкости. Последние так и называются и сокращенно пишутся КПЕ (конденсатор переменной емкости). Конденсаторы постоянной емкости бывают как полярные, так и неполярные. На рисунке ниже изображено схематическое изображение полярного конденсатора:

К полярным относятся электролитические конденсаторы. Выпускаются также танталовые конденсаторы, которые отличаются от алюминиевых электролитических, более высокой стабильностью, но и стоят дороже. Электролитические конденсаторы подвержены, по сравнению с неполярными более быстрому старению. Полярные конденсаторы имеют положительный и отрицательный электроды, плюс и минус. На фото далее изображен электролитический конденсатор:

У советских электролитических конденсаторов полярность обозначалась на корпусе знаком плюс у положительного электрода. У импортных конденсаторов обозначается отрицательный электрод знаком минус. При нарушении режимов работы электролитических конденсаторов они могут вздуться и даже взорваться. У электролитических конденсаторов во избежания взрыва, делают при их изготовлении специальные насечки на крышке корпуса:

Также электролитические конденсаторы могут взорваться, если на них по ошибке подать напряжение выше того, на которое они были рассчитаны. На фото электролитического конденсатора приведенного выше, видно надпись 33 мкФ х 100 В., это означает его емкость, равную 33 микрофарад и допустимое напряжение до 100 вольт. Неполярный конденсатор на схемах обозначается следующим образом:

Неполярный конденсатор изображение на схеме

На фото ниже изображены пленочный и керамический конденсаторы:

Пленочный

Керамический

Конденсаторы различают по виду диэлектрика. Существуют конденсаторы с твердым, жидким и газообразным диэлектриком. С твердым диэлектриком это: бумажные, пленочные, керамические, слюдяные. Также существуют электролитические, о которых уже было рассказано выше и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Эти конденсаторы отличаются от всех остальных большой удельной емкостью. Многие, думаю, встречали на импортных конденсаторах такое цифровое обозначение:

На рисунке выше видно, как можно посчитать номинал такого конденсатора. Например, если на конденсаторе нанесена маркировка 332, то это означает, что он имеет емкость 3300 пикофарад или 3.3 нанофарад. Ниже приведена таблица, сверяясь с которой можно легко посчитать номинал любого конденсатора с такой маркировкой:

Существуют конденсаторы и в SMD исполнении, наиболее распространены в радиолюбительских конструкциях я думаю типы 0805 и 1206. Изображение неполярного SMD конденсатора можно видеть на рисунках ниже:

Промышленностью выпускаются и так называемые твердотельные конденсаторы. Внутри у них вместо электролита находится органический полимер.

Переменные конденсаторы

Как и резисторы, некоторые специальные конденсаторы могут изменять свою ёмкость, если это необходимо в процессе настройки. На рисунке изображено устройство конденсатора переменной емкости:

Регулируется емкость в переменных конденсаторах изменением площади параллельно расположенных пластин конденсатора. Делятся конденсаторы на переменные, которые имеют ручку для вращения вала, и подстроечные, которые имеют шлиц под отвертку, и также состоят из подвижной и не подвижной частей.

На рисунке они обозначены как ротор и статор. Такие конденсаторы используются в радиоприемниках для настройки на нужную частоту радиовещания. Емкость таких конденсаторов обычно бывает небольшой и равняется единицам – максимум сотням пикофарад. Так обозначается на схемах конденсатор переменной емкости:

На следующем рисунке показан подстроечный конденсатор. Подстроечный конденсатор обозначается на схемах следующим образом:

Такие конденсаторы обычно регулируются только один раз при сборке и настройке радиоэлектронной аппаратуры.

На следующем рисунке изображено строение подстроечного конденсатора:

Емкость конденсатора измеряется в Фарадах. Но даже 1 Фарад, это очень большая емкость, поэтому для обозначения обычно используют миллионные доли Фарад, микрофарады, а также еще более мелкие, нанофарады и пикофарады. Перевести из микрофарад в пикофарады и обратно очень легко. 1 микрофарад равен 1000 нанофарад или 1000000 пикофарад. Конденсаторы, помимо прочего, применяются в колебательных контурах радиоприемников, в блоках питания для сглаживания пульсаций, а также в качестве разделительных в усилителях. Обзор подготовил AKV .

Обсудить статью КОНДЕНСАТОР

— один из самых распространенных электронных компонентов. Существует множество разных типов конденсаторов, которые классифицируют по различным свойствам.

В основном типы конденсаторов разделяют:

• По характеру изменения емкости — постоянной емкости, переменной емкости и подстроечные.
• По материалу диэлектрика — воздух, металлизированная бумага, слюда, тефлон, поликарбонат, оксидный диэлектрик (электролит).
• По способу монтажа — для печатного или навесного монтажа.

Керамические конденсаторы

Керамические конденсаторы или керамические дисковые конденсаторы сделаны из маленького керамического диска, покрытого с двух сторон проводником (обычно серебром).

Карамические конденсаторы

Благодаря довольно высокой относительной диэлектрической проницаемости (от 6 до 12) керамические конденсаторы могут вместить достаточно большую емкость при относительно малом физическом размере. Диапазон емкости этого типа конденсаторов — от нескольких пикоФарад (пФ или pF) до нескольких микроФарад (мФ или uF). Однако их номинальное напряжение, как правило, невысокое.

Маркировка керамических конденсаторов обычно представляет собой трехзначный числовой код, обозначающий значение емкости в пикофарадах. Первые две цифры указывают значение емкости. Третья цифра указывает количество нулей, которые нужно добавить.

Например, маркировка 103 на керамическом конденсаторе означает 10 000 пикоФарад или 10 наноФарад. Соответственно, маркировка 104 будет означать 100 000 пикоФарад или 100 наноФарад и.т.д. Иногда к этому коду добавляют буквы, обозначающие допуск. Например, J = 5%, K = 10%, M = 20%.

Емкость конденсатора зависит от площади обкладок . Для того чтобы компактно вместить большую площадь, используют пленочные конденсаторы. Здесь применяют принцип «многослойности». Т.е. создают много слоев диэлектрика, чередующегося слоями обкладок. Однако с точки зрения электричества, это такие же два проводника разделенные диэлектриком, как и у плоского керамического конденсатора.

В качестве диэлектрика пленочных конденсаторов обычно используют тефлон, металлизированную бумагу, майлар, поликарбонат, полипропилен, полиэстер. Диапазон емкости этого типа конденсаторов составляет примерно от 5pF (пикофарад) до 100uF (микрофарад). Диапазон номинального напряжения пленочных конденсаторов достаточно широк. Некоторые высоковольтные конденсаторы этого типа достигают более 2000 вольт.

Различают два вида пленочных конденсаторов по способу размещения слоев диэлектрика и обкладок – радиальные и аксиальные .

Радиальный и аксиальный тип пленочных конденсаторов

Маркировка емкости пленочных конденсаторов происходит по тому же принципу что и керамических. Это трехзначный числовой код, обозначающий значение емкости в пикофарадах. Первые две цифры указывают значение емкости. Третья цифра указывает количество нулей, которые нужно добавить. Иногда к этому коду добавляют буквы, обозначающие допуск. Например, J = 5%, K = 10%, M = 20%. Например 103J означает 10 000 пикоФарад +/- 5% или 10 наноФарад +/-5%.

Однако довольно часто разные производители кроме значения емкости и точности добавляют символы номинального напряжения, температуры, серии, класса, корпуса, и других особых характеристик. Данные символы могут отличатся и быть размещены в разном порядке, в зависимости от производителя. Поэтому для разшифровки маркировки пленочных конденсаторов желательно пользоваться документацией (Datasheets) .

Обычно используются когда требуется большая емкость. Конструкция этого типа конденсаторов похожа на конструкцию пленочных, только здесь вместо диэлектрика используется специальная бумага, пропитанная электролитом. Обкладки конденсатора создаются из алюминия или тантала.

Обратим внимание, что электролит хорошо проводит электрический ток! Это полностью противоречит принципу устройства конденсатора, где два проводника должны быть разделены диэлектриком.

Дело в том, что слой диэлектрика создается уже после изготовления конструкции компонента. Через конденсатор пропускают ток, и в результате электролитического окисления на одной из обкладок появляется тонкий слой оксида алюминия или оксида тантала (в зависимости из какого металла состоит обкладка). Этот слой представляет собой очень тонкий и эффективный диэлектрик, позволяющий электролитическим конденсаторам превосходить по емкости в сотни раз «обычные» пленочные конденсаторы.

Недостатком вышеописанного процесса окисления является полярность конденсатора. Оксидный слой обладает свойствами односторонней проводимости. При неправильном подключении напряжения оксидный слой разрушается, и через конденсатор может пойти большой ток. Это приведет к быстрому нагреву и разширению электролита, в результате чего может произойти взрыв конденсатора! Поэтому необходимо всегда соблюдать полярность при подключении электролитического конденсатора . В связи с этим на корпусе компонента производители указывают куда подключать минус.

По причине своей полярности электролитические конденсаторы не могут быть использованы в цепях с переменным током. Но иногда можно встретить компоненты состоящие из двух конденсаторов, соединенными минус-к-минусу и формирующие «не полярные» конденсаторы. Их можно использовать в цепях с переменным током малого напряжения.

Емкость алюминиевых электролитических конденсаторов в колеблется основном от 1 мкФ до 47000 мкФ. Номинальное напряжение — от 5В до 500В. Допуск обычно довольно большой — 20%.

Танталовые конденсаторы физически меньше алюминиевых аналогов. Вдобавок электролитические свойства оксида тантала лучше чем оксида алюминия — у танталовых конденсаторов значительно менше утечка тока и выше стабильность емкости. Диапазон типичных емкостей от 47нФ до 1500мкФ.

Танталовые электролитические конденсаторы также являются полярными, однако лучше переносят неправильное подключение полярности чем их алюминиевые аналоги. Вместе с тем, диапазон типичных напряжений танталовых компонентов значительно ниже – от 1В до 125В.

Широко используются в устройствах, где часто требуется настройка во время работы — приемниках, передатчиках, измерительных приборах, генераторах сигналов, аудио и видео аппаратуре. Изменение емкости конденсатора позволяет влиять на характеристики проходящего через него сигнала (форму, частоту, амплитуду и т.д.).

Емкость может менятся механическим способом, электрическим напряжением (вариконды), и с помощью температуры (термоконденсаторы). В последнее время во многих областях вариконды вытесняются варикапами (диодами с переменной емкостью).

Под названием «переменные конденсаторы» обычно имеют ввиду компоненты с механическим изменением емкости. Управление емкостю здесь достигается путем изменения площади обкладок. Обкладки в переменных конденсаторах состоят из множества пластин с воздушным пространством между ними в качестве диэлектрика.

Часть пластин фиксированная, часть подвижная. Положение подвижных пластин по отношению к фиксированным определяет общую емкость конденсатора. Чем больше общая площадь пластин тем больше емкость.

Подстроечные конденсаторы

Подстроечные конденсаторы используются при разовом или периодическом регулировании емкости, в отличии от «стандартных» переменных конденсаторов, где емкость меняется в «режиме реального времени». Такая настройка предназначена для самих производителей аппаратуры, а не для ее пользователей, и выполняется специальной настроечной отверткой. Обычная стальная отвертка не подходит, так как может повлиять на емкость конденсатора. Емкость подстроечных конденсаторов как правило невелика – до 500 пикоФарад.

Способ монтажа конденсаторов

Конденсаторы разделяют по способу монтажа на компоненты для навесного монтажа и для печатного монтажа (SMD или чип-конденсаторы). У компонентов для навесного монтажа есть выводы в виде «ножек». У конденсаторов для печатного монтажа выводами служит часть их поверхности.