Виды конденсаторов и их характеристики. Введение в электронику
Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения своей ёмкости:
Конденсатор
Основа конструкции конденсатора - две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик
Слева - конденсаторы для поверхностного монтажа; справа - конденсаторы для объёмного монтажа; сверху - керамические; снизу - электролитические.
Различные конденсаторы для объёмного монтажа
Свойства конденсатора
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 течет, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора.
где - мнимая единица , - частота протекающего синусоидального тока, - ёмкость конденсатора. Отсюда также следует, что реактивное сопротивление конденсатора равно: 
. Для постоянного тока частота равна нулю, следовательно, реактивное сопротивление конденсатора бесконечно (в идеальном случае).
На электрических принципиальных схемах номинальная ёмкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1 мкФ = 10 6 пФ) и пикофарадах, но нередко и в нанофарадах. При ёмкости не более 0,01 мкФ, ёмкость конденсатора указывают в пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу измерения, т.е. постфикс «пФ» опускают. При обозначении номинала ёмкости в других единицах указывают единицу измерения (пикоФарад). Для , 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 мк x 10 В». Для указывают диапазон изменения ёмкости, например так: «10 – 180». В настоящее время изготавливаются конденсаторы с номинальными ёмкостями из десятичнологарифмических рядов значений Е3, Е6, Е12, Е24 , т.е. на одну декаду приходится 3, 6, 12, 24 значения, так, чтобы значения с соответствующим допуском (разбросом) перекрывали всю декаду.
Характеристики конденсаторов
Основные параметры
Ёмкость
Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость . 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 (q = C U ). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад . Однако существуют конденсаторы с ёмкостью до десятков фарад.
Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью каждая, расположенных на расстоянии друг от друга, в системе СИ выражается формулой: , где - относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами (эта формула справедлива, лишь когда много меньше линейных размеров пластин).
Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею.
Если у всех параллельно соединённых конденсаторов расстояние между обкладками и свойства диэлектрика одинаковы, то эти конденсаторы можно представить как один большой конденсатор, разделённый на фрагменты меньшей площади.
При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы. Общая ёмкость батареи последовательно соединённых конденсаторов равна
или 
Эта ёмкость всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора, входящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения.
Если площадь обкладок всех конденсаторов, соединённых последовательно, одинакова, то эти конденсаторы можно представить в виде одного большого конденсатора, между обкладками которого находится стопка из пластин диэлектрика всех составляющих его конденсаторов.
Удельная ёмкость
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.
Номинальное напряжение
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.
Полярность
Конденсаторы, разрушившиеся без взрыва из-за температуры и напряжения, не соответствующих рабочим.
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.
Взрывы электролитических конденсаторов - довольно распространённое явление. Основной причиной взрывов является перегрев конденсатора, вызываемый в большинстве случаев утечкой или повышением эквивалентного последовательного сопротивления вследствие старения (актуально для импульсных устройств). Для уменьшения повреждений других деталей и травматизма персонала в современных конденсаторах большой ёмкости устанавливают клапан или выполняют насечку на корпусе (часто можно заметить её в форме буквы X, K или Т на торце). При повышении внутреннего давления открывается клапан или корпус разрушается по насечке, испарившийся электролит выходит в виде едкого газа, и давление спадает без взрыва и осколков.
Реальные конденсаторы, помимо ёмкости, обладают также собственными сопротивлением и индуктивностью . С высокой степенью точности, эквивалентную схему реального конденсатора можно представить следующим образом:
|
|
Электрическое сопротивление изоляции конденсатора - r
Сопротивление изоляции - это сопротивление конденсатора постоянному току, определяемое соотношением r = U / I ут , где U - напряжение, приложенное к конденсатору, I ут - ток утечки.
Эквивалентное последовательное сопротивление - R
Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, англ. ESR ) обусловлено главным образом электрическим сопротивлением материала обкладок и выводов конденсатора и контакта(-ов) между ними, а также потерями в диэлектрике. Обычно ЭПС возрастает с увеличением частоты тока, протекающего через конденсатор.
В большинстве случаев этим параметром можно пренебречь, но иногда (напр., в случае использования электролитических конденсаторов в фильтрах импульсных блоков питания) достаточно малое его значение может быть жизненно важным для надёжности устройства (см., напр., Capacitor plague(англ.) ).
Эквивалентная последовательная индуктивность - L
Эквивалентная последовательная индуктивность обусловлена, в основном, собственной индуктивностью обкладок и выводов конденсатора. На низких частотах (до единиц килогерц) обычно не учитывается в силу своей незначительности.
Тангенс угла потерь
Тангенс угла потерь - отношение мнимой и вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости. 
Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)
ТКЕ - относительное изменению емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (Кельвина). Таким образом значение ёмкости от температуры представляется линейной формулой:
,где ΔT - увеличение температуры в °C или °К относительно нормальных условий, при которых специфицировано значение ёмкости. TKE применяется для характеристики конденсаторов со значительной линейной зависимостью ёмкости от температуры. Однако ТКЕ определяется не для всех типов конденсаторов. Конденсаторы, имеющие нелинейную зависимость емкости от температуры, и конденсаторы с большими уходами емкости от воздействия температуры окружающей среды в обозначении имеют указание на относительное изменение емкости в рабочем диапазоне температур.
Диэлектрическое поглощение
Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путём подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то мы увидим, что напряжение медленно повышается. Это явление получило название диэлектрическое поглощение или адсорбция электрического заряда . Конденсатор ведёт себя так, словно параллельно ему подключено множество последовательных RC -цепочек с различной постоянной времени . Интенсивность проявления этого эффекта зависит в основном от свойств диэлектрика конденсатора. Подобный эффект можно наблюдать и на большинстве электролитических конденсаторов, но в них он является следствием
Содержание:
Конденсатор - это прибор, способный накапливать электрические заряды. Он применяется в электрических и электронных схемах повсюду. Современная промышленность выпускает множество их видов, которые отличаются друг от друга по разным параметрам. Это емкость, принцип работы, тип разделения зарядных проводников, диапазон допустимых напряжений, компоновка, материалы, из которых устройство изготовлено.
Любой конденсатор состоит из двух проводников, разделенных изолятором. Так как зарядка конденсатора - это занесение заряженных частиц на эти проводники, причем на один проводник одного знака, на другой - другого, а удерживаться будут заряды силой взаимного притяжения, то эффективность и зависит от этой силы. Она тем больше, чем ближе проводники друг к другу и чем больше их «почти соприкасающаяся» площадь. Разделяющая проводники среда тоже дает свой вклад. Среда эта - диэлектрик, имеющий определенную диэлектрическую проницаемость.
d – толщина диэлектрика, разделяющего металлические пластины
Емкость конденсатора вычисляется по формуле
Где S – площадь обкладок, d – толщина диэлектрика (расстояние между обкладками), а ε – проницаемость используемого диэлектрика относительно вакуума, диэлектрическая проницаемость которого известна довольно точно:
Здесь она выражена через другие единицы системы СИ. Здесь и метры в кубе в знаменателе, и секунды в четвертой степени в числителе, что произошло от формулы, где в знаменателе стоит скорость света в квадрате. И тогда емкость C и измеряется в фарадах.
И из формулы видно, что емкость и зависит как раз от площади обкладок, расстояния между ними (которое заполнено диэлектриком) и материала диэлектрика, значение ε которого можно найти по таблицам. Классификация конденсаторов делается по виду использования, по типу компонент.
Классификация по принципу действия
Самый простой конденсатор еще называется сухим, или твердотельным, потому что все материалы его твердые и самые обыкновенные. Зная описание, его можно изготовить вручную. В качестве изолятора берется бумажная лента, но так как она гигроскопична, то ее пропитывают парафином или маслом.
Сухие конденсаторы
Сухие или мокрые конденсаторы - зависит от заполнения между пластинами. Для сухих это может быть бумага, керамика, слюда, пластик (полиэстер, полипропилен). У каждого из диэлектриков свои физические свойства. Наиболее прочные (керамика) хорошо сопротивляются физическому разрушению и пробою. Пластичные допускают наносить обкладки в виде металлического напыления прямо на слой диэлектрика, что позволяет идти по пути микроминиатюризации.
Типы конденсаторов с другими состояниями компонентов
Кроме твердого диэлектрика, бывают конденсаторы с диэлектриком:
- жидким;
- газообразным (наполненные инертным газом для защиты электродов);
- вакуумным;
- воздушным.
Однако и электроды бывают не всегда вполне твердые.
Электролитические конденсаторы
Для создания большой емкости используют методы сближения обкладок не механические, а химические. Пользуясь тем, что алюминиевая фольга всегда на воздухе покрывается слоем диэлектрика (Al 2 O 3), к алюминиевому электроду вплотную приближают жидкий электрод в виде электролита. Тогда толщина изолирующего промежутка исчисляется атомными расстояниями, и это резко увеличивает емкость.
d – толщина диэлектрика
Так как на нижней поверхности верхней обкладки имеется слой оксида, диэлектрика, то именно его толщину и следует считать d - толщиной диэлектрика. Нижним электродом является нижняя обкладка, плюс слой электролита, которым пропитана бумага.
В электролитических конденсаторах заряд создается не только свободными электронами металла, но еще и ионами электролита. Поэтому важна полярность подключения.
Кроме электролитических конденсаторов, использующих в качестве изоляции оксид металла, по такому же принципу работают полевые (МОП) транзисторы. Они в электронных схемах часто и используются в качестве конденсаторов, имеющих емкость в несколько десятков нанофарад.
Еще аналогичный принцип работы у конденсаторов оксидно-полупроводниковых, в которых вместо жидкого электролита - твердый полупроводник. Но этими типами не исчерпываются конденсаторы, слой диэлектрика у которых имеет микроскопическую толщину.
Суперконденсатор, или ионистор
Возможен еще вариант создания слоя, играющего роль диэлектрика, в жидком электролите. Если залить им поверхность некоего пористого проводника (активированного угля), то при наличии на нем заряда ионы противоположного знака из электролита «прилипают» к проводнику. А к ним, в свою очередь, присоединяются другие ионы. И все вместе образует многослойную конструкцию, способную накапливать электрические заряды.
Процессы в жидком электролите особого состава для суперконденсаторов уже напоминают нечто, что происходит в электролитах аккумуляторов. Ионистор и по своим характеристикам приближается к аккумуляторам, кроме того, его зарядка проходит легче и быстрее. И в них в циклах зарядки/разрядки не происходит порчи электродов, как это обычно бывает в аккумуляторах. Ионисторы более надежные, долговечные, и ими как устройствами питания оснащают электротранспортные средства. А пористое вещество электродов дает просто колоссальную площадь поверхности. Вместе с наноскопически малой толщиной изолирующего слоя в электролите это и создает гигантскую емкость суперконденсаторов (ультраконденсаторов) - фарады, десятки и сотни фарад. Выпускается множество различных суперконденсаторов, некоторые по виду не отличаются от аккумуляторов.
Классификация по применению
Большинство конденсаторов изготовляются для использования в отлаженных, настроенных электрических схемах и цепях. Но во многих схемах производится настройка электрических или частотных параметров. Конденсаторы для этой цели очень удобны: можно менять емкость без изменения электрических контактов между обкладками.
По этому признаку конденсаторы бывают постоянными, переменными и подстроечными.
Подстроечные обычно исполняются в миниатюрном виде и предназначены для постоянной работы в схемах после небольшой предварительной оптимизирующей подстройки. Переменные имеют более широкие диапазоны параметров, чтобы проводить систематическую настройку (например, поиск волны в радиоприемнике).
По диапазону напряжений
Диапазон рабочих напряжений - очень важная характеристика конденсатора. В электронных схемах напряжения обычно небольшие. Верхняя граница - около 100 вольт. Но схемы электропитания, различные блоки питания, выпрямители, стабилизаторы приборов требуют установки конденсаторов, которые могли бы выдерживать напряжения до 400–500 вольт - с учетом возможных всплесков, и даже до 1000 вольт.
Но в сетях передачи электроэнергии напряжения бывают гораздо выше. Существуют высоковольтные конденсаторы специального исполнения.
Использование конденсатора вне его диапазона напряжений грозит пробоем. После пробоя устройство становится просто проводником и свои функции выполнять перестает. Особенно это опасно там, где конденсатор устанавливается для развязки схем по току, как отделяющий постоянное напряжение от переменной составляющей. В этом случае пробой грозит той части схемы, куда после этого хлынет постоянное напряжение: могут гореть другие элементы, может быть поражение электрическим током. Для электролитических конденсаторов это явление грозит еще и взрывом.
Слева – до 35 кВ, справа – до 4 кВ
Так как для пробоя на высоком напряжении нужен определенный минимум расстояния между проводниками, обычно для высоковольтного исполнения приборы и выполняются значительными по размерам. Или бывают изготовлены из определенных стойких к пробою материалов: керамические и … метало-бумажные. Разумеется, все в соответствующем по свойствам корпусе.
Маркировка конденсаторов
Существует несколько маркировок. Старая маркировка может состоять из трех или четырех цифр, в этом случае первые две (три) цифры означают мантиссу емкости (в пикофарадах), последняя цифра дает степень множителя-десятки.
Так выглядит трехзначная маркировка конденсаторов (обозначение емкостей)
Как видим, такая маркировка охватывает только емкость конденсаторов.
Кодовая маркировка содержит информацию и о материалах, и о напряжениях, и о допусках.
На больших конденсаторах обозначения располагают прямо на корпусе.
При отсутствии обозначений, касающихся напряжения, это низковольтный прибор. Встречаются условные буквенные обозначения напряжений.
Полярность обозначается «+ -» или канавкой кольцевого вида около минусового вывода. При наличии этого обозначения полярность соблюдать неукоснительно!
Конденсатор представляет собой две пластины, разделенные слоем диэлектрика. Если к обкладкам положить постоянное напряжение, то одна пластина зарядится положительно, другая отрицательно. После отключения конденсатора заряды на обкладках сохранятся, что позволяет использовать этот прибор в качестве накопителя электрической энергии. Количество накопленной энергии (емкость) зависит от площади обкладок, их материала, свойств и типа диэлектрика, проложенного между обкладками. Основная единица измерения емкости – фарад (Ф). Это достаточно большая величина, на практике обычно используются доли фарада — микрофарад (мкФ), нанофарад (нФ), пикофарад (пФ).
1Ф = 1000000мкФ;
1мкФ = 1000нФ;
1нФ = 1000 пФ.
Второй параметр любого конденсатора, который очень важен – номинальное (рабочее) напряжение конденсатора. Это напряжение, подводимое к обкладкам, превышать которое нельзя, иначе конденсатор выйдет из строя. Напряжение в вольтах и емкость нередко обозначаются на корпусе самого конденсатора.
Следующий параметр присущ не всем типам конденсаторов – полярность. Если конденсатор полярный, то к его выводам можно прикладывать только постоянное напряжение, причем «+» источника на положительную обкладку, «-» – на отрицательную. Полярность тоже обозначается на корпусе, чаще маркировкой одного вывода (либо «+» либо «-«).
Вот так полярность обозначается на smd-конденсаторах
Полоска «минусов» расположена напротив вывода «-«
А на отечественных конденсаторах «плюсик» может стоять прямо на корпусе (сбоку или на торце)
У этого типа «минус» всегда на корпусе
Если конденсатор неполярный, то он может работать в цепях переменного и постоянного тока, причем во втором случае за полярностью напряжения следить не нужно.
На электрических схемах конденсаторы обозначаются следующим образом:
Здесь слева неполярный конденсатор, а второе и третье обозначение соответствует полярному конденсатору, причем на третьем рисунке знак «+» может отсутствовать.
И в качестве примера:
Конденсаторы на схемах обозначаются символом С, таким образом конденсатор С1 — неполярный емкостью 100 нанофарад, С2 — полярный, емкостью 30 микрофарад на номинальное напряжение 15 В.
Важно! Заменить конденсатор можно любым подходящей емкости и соответствующего типа, но на напряжение НЕ НИЖЕ указанного на схеме. Выше — пожалуйста.
Маркировка конденсаторов обладает большим разнообразием по сравнению с маркировкой резисторов. Довольно сложно увидеть маркировку маленьких конденсаторов, потому что площадь поверхности их корпусов очень незначительная. В этой статье рассказывается, как читать маркировку практически всех типов современных конденсаторов, произведенных за рубежом. Возможно, на вашем конденсаторе маркировка будет нанесена в другом порядке (по сравнению с описываемым в этой статье). Более того, на некоторых конденсаторах отсутствуют значения напряжения и допуска – для создания низковольтной цепи вам понадобится только значение емкости.
Шаги
Маркировка больших конденсаторов
- 1 µF , uF , mF = 1 мкФ (микрофарад) = 10 -6 Ф. (Внимание! В случаях, не связанных с маркировкой конденсаторов, 1 mF = 1 мФ (миллифарад) = 10 -3 Ф)
- 1 nF = 1 нФ (нанофарад) = 10 -9 Ф.
- 1 pF , mmF , uuF = 1 пФ (пикофарад) = 10 -12 Ф.
-
Определите значение емкости. В случае больших конденсаторов значение емкости наносится непосредственно на корпус. Конечно, могут быть некоторые различия, но в большинстве случаев ищите число с одной из единиц измерения, описанных выше. Возможно, вам придется учесть следующие моменты:
Определите значение допуска. На корпус некоторых конденсаторов наносится значение допуска, то есть допустимое отклонение номинальной емкости от указанной; учитывайте эту информацию, если при сборке электроцепи необходимо знать точное значение емкости конденсатора. Например, если на конденсаторе нанесена маркировка «6000uF+50%/-70%», то его максимальная емкость равна 6000+(6000*0,5)=9000 мкФ, а минимальная – 6000-(6000*0,7)=1800 мкФ.
Определите номинальное напряжение. Если корпус конденсатора довольно большой, на нем проставляется численное значение напряжения, за которым следуют буквы V или VDC, или VDCW, или WV (от английского Working Voltage – рабочее напряжение). Это максимально допустимое напряжение конденсатора, которое измеряется в вольтах (В).
Поищите символы «+» или «-». Если на корпусе конденсатора присутствует один из этих символов, такой конденсатор поляризован. В этом случае подключите положительный («+») контакт конденсатора к положительной клемме источника питания; в противном случае может произойти короткое замыкание конденсатора или конденсатор может взорваться. Если символов «+» или «-» на корпусе нет, вы можете включать конденсатор в цепь так, как вам угодно.
Интерпретация маркировки конденсаторов
-
Запишите первые две цифры значения емкости. Если конденсатор маленький и на его корпусе не помещается значение емкости, оно маркируется в соответствии со стандартом EIA (это справедливо для современных конденсаторов, чего не скажешь про старые конденсаторы). Для начала запишите первые две цифры, а затем сделайте следующее:
Воспользуйтесь третьей цифрой в качестве множитель нуля. Если емкость конденсатора маркируется тремя цифрами, то такая маркировка интерпретируется следующим образом:
- Если третей цифрой является цифра от 0 до 6, к двум первым цифрам припишите соответствующее количество нулей. Например, маркировка «453» – это 45 x 10 3 = 45000.
- Если третьей цифрой является 8, умножьте первые две цифры на 0,01. Например, маркировка «278» – это 27 x 0,01 = 0,27.
- Если третьей цифрой является 9, умножьте первые две цифры на 0,1. Например, маркировка «309» – это 30 x 0,1 = 3,0.
-
Определите единицы измерения . В большинстве случаев емкость самых маленьких конденсаторов (керамических, пленочных, танталовых) измеряется в пикофарадах (пФ, pF), которые равны 10 -12 Ф. Емкость больших конденсаторов (алюминиевых электролитических или двухслойных) измеряется в микрофарадах (мкФ, uF или µF), которые равны 10 -6 Ф.
Интерпретируйте маркировку, включающую буквы . Если одним из первых двух символов маркировки является буква, интерпретируйте это следующим образом:
Определите значение допуска керамических конденсаторов. Керамические конденсаторы имеют плоскую круглую форму и два контакта. Значение допуска таких конденсаторов приводится в виде одной буквы непосредственно после трехзначного маркера емкости. Допуск – это допустимое отклонение номинальной емкости от указанной. Если необходимо знать точное значение емкости, интерпретируйте маркировку следующим образом:
-
Ознакомьтесь с единицами измерения. Основной единицей измерения емкости является фарад (Ф). Один фарад – это огромное значение для обычной цепи, поэтому бытовые конденсаторы маркируются дольными единицами измерения.
