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.
В магазинах электротехники конденсаторы чаще всего можно увидеть в виде цилиндра, внутри которого располагается множество лент из пластин и диэлектриков.
Конденсатор – что такое?
Конденсатор – это часть электрической цепи, состоящей из 2 электродов, которые способны накапливать, сосредотачивать или передавать ток другим устройствам. Конструктивно электроды представляют собой обкладки конденсатора, у которых заряды противоположны. Для того чтобы устройство работало, между пластинами размещен диэлектрик – элемент, не позволяющий двум пластинам соприкоснуться друг с другом.
Определение конденсатора произошло от латинского слова «condenso», что обозначает уплотнение, сосредоточение.
Элементы для пайки емкостей служат для транспортировки, измерения, перенаправления и передачи электроэнергии и сигналов.
Где применяются конденсаторы
Каждый начинающий радиолюбитель часто задается вопросом: для чего нужен конденсатор? Новички не понимают, зачем он нужен, и ошибочно считают, что он может полноценно заменить батарейку или блок питания.
В комплектацию всех радиоустройств входят конденсаторы, транзисторы и резисторы. Данные элементы составляют кастет платы или целый модуль в схемах со статичными значениями, что делает его базой для любого электроприбора, начиная от небольшого утюга и заканчивая промышленными приборами.
Применение конденсаторов чаще всего наблюдается в качестве:
- Фильтрующего элемента для ВЧ и НЧ помех;
- Нивелира резких скачков переменного тока, а так для статики и напряжения на конденсаторе;
- Выравнивателя пульсаций напряжения.
Назначение конденсатора и его функции определяются целями использования:
- Общего назначения. Это конденсатор, в конструкции которого присутствуют только низковольтные элементы, расположенные на небольших платах, например, таких приборах, как телевизионный пульт, радио, чайник и т.д.;
- Высоковольтные. Конденсатор в цепи постоянного тока поддерживает производственные и технические системы, находящиеся под высоким напряжением;
- Импульсные. Емкостный формирует резкий скачок напряжения и подает его на принимающую панель устройства;
- Пусковые. Используются для пайки в тех устройствах, которые предназначены для запуска, включения/выключения приборов, например, пульт или блок управления;
- Помехоподавляющие. Конденсатор в цепи переменного тока используется в спутниковом, телевизионном и военном оборудовании.
Типы конденсаторов
Устройство конденсатора определятся видом диэлектрика. Он бывает следующих типов:
- Жидкий. Диэлектрик в жидком виде встречается нечасто, в основном, такой вид используется в промышленности или для радиоустройств;
- Вакуумный. Диэлектрик в конденсаторе отсутствует, а вместо него расположены пластины в герметичном корпусе;
- Газообразный. Основан на взаимодействии химических реакций и применяется для производства холодильного оборудования, производственных линий и установок;
- Электролитический конденсатор. Принцип основан на взаимодействии металлического анода и электрода (катода). Оксидный слой анода является полупроводниковой частью, вследствие чего такой вид элемента схемы считается наиболее производительным;
- Органический. Диэлектрик может быть бумажным, пленочным и т.д. Он не способен накапливать, а только лишь слегка нивелировать скачки напряжения;
- Комбинированный. Сюда относятся металло-бумажные, бумажно-пленочные и т.д. Коэффициент полезного действия увеличивается, если в состав диэлектрика входит металлическая составляющая;
- Неорганический. Выделяют наиболее распространенные: стеклянный и керамический. Их использование обуславливается долговечностью и прочностью;
- Комбинированный неорганический. Стекло-пленочный, а также стекло-эмалевый, которые выделяются отличными нивелирующими свойствами.
Виды конденсаторов
Элементы радиоплаты различаются по типу изменения емкости:
- Постоянные. Элементы поддерживают постоянную емкость напряжения до конца всего срока годности. Данный вид наиболее распространенный и универсальный, так как он подходит для того, чтобы сделать любой тип устройств;
- Переменные. Обладают способностью к перемене объема емкости при использовании реостата, варикапы или при изменении температурного режима. Механический метод с помощью реостата предполагает впайку дополнительного элемента на плату, в то время как при использовании вариконды изменяется лишь объем поступающего напряжения;
- Подстроечные. Являются наиболее гибким видом конденсатора, с помощью которого можно максимально быстро и эффективно увеличить пропускную способность системы при минимальных реконструкциях.
Принцип работы конденсатора
Рассмотрим, как работает конденсатор при подключении к источнику питания:
- Накопление заряда. При подключении к сети ток направляется на электролиты;
- Заряженные частицы распределяются на пластину, согласно своему заряду: отрицательные – на электроны, а положительные – на ионы;
- Диэлектрик служит преградой между двумя пластинами и не дает частицам смешиваться.
Определение емкости конденсатора проводится путем расчета отношения заряда одного проводника к его потенциальной мощности.
Важно! Диэлектрик также способен снимать образовавшееся напряжение на конденсаторе в процессе работы устройства.
Характеристики конденсатора
Характеристики условно делятся на пункты:
- Величина отклонения. В обязательном порядке каждый конденсатор перед тем, как попасть в магазин, проходит ряд тестов на производственной линии. После проведения испытаний каждой модели производитель указывает диапазон допустимых отклонений от исходного значения;
- Величина напряжения. В основном используются элементы напряжением 12 или 220 Вольт, но также существуют и на 5, 50, 110, 380, 660, 1000 и более Вольт. Для того чтобы избежать перегорания конденсатора, пробоя диэлектрика, лучше всего приобретать элемент с запасом напряжения;
- Допустимая температура. Данный параметр очень важен для мелких устройств, работающих от сети 220 Вольт. Как правило, чем больше напряжение, тем выше уровень допустимой температуры для работы. Температурные параметры измеряются с помощью электронного термометра;
- Наличие постоянного или переменного тока. Пожалуй, один из важнейших параметров, так как от него полностью зависит производительность проектируемого оборудования;
- Количество фаз. В зависимости от сложности устройства, можно использовать однофазные или трехфазные конденсаторы. Для подключения элемента напрямую достаточно однофазного, а если плата представляет собой «город», то рекомендуется использовать трехфазный, так как он более плавно распределяет нагрузку.
От чего зависит емкость
Емкость конденсатора зависит от типа диэлектрика и указывается на корпусе, измеряется в мкФ или uF. Варьируется в диапазоне от 0 до 9 999 пФ в пикофарадах, тогда как в микрофарадах – от 10 000 пФ до 9 999 мкФ. Эти характеристики прописаны в государственном стандарте ГОСТ 2.702.
Обратите внимание! Чем больше емкость электролитов, тем больше время зарядки, и тем больше заряда устройство сможет передать.
Чем больше величина нагрузки или мощность прибора, тем короче время разряда. При этом сопротивление играет немаловажную роль, так как от него зависит количество исходящего электропотока.
Главной частью конденсатора является диэлектрик. Он обладает следующим рядом характеристик, влияющих на мощность оборудования:
- Сопротивление изоляции. Сюда относится как внутренняя, так и внешняя изоляция, сделанная из полимеров;
- Максимальное напряжение. Диэлектрик определяет, какое напряжение конденсатор способен накапливать или передавать;
- Величина потерь энергии. Зависит от конфигурации диэлектрика и его характеристик. Как правило, энергия рассеивается постепенно или резкими импульсами;
- Уровень емкости. Для того чтобы конденсатор мог сохранять небольшое количество энергии непродолжительное время, необходимо, чтобы он поддерживал постоянный объем емкости. Чаще всего, он выходит из строя именно по причине невозможности пропускать заданный объем напряжения;
Полезно знать! Аббревиатура «АС», расположенная на корпусе элемента, обозначает переменное напряжение. Накопленное напряжение на конденсаторе невозможно использовать или передавать – его необходимо гасить.
Свойства конденсатора
Конденсатор выступает в роли:
- Индуктивной катушки. Рассмотрим на примере обычной лампочки: она загорится, только если подключить ее напрямую к источнику переменного тока. Отсюда вытекает правило, что чем больше емкость, тем мощнее будет световой поток лампочки;
- Накопителя заряда. Свойства позволяют ему быстро заряжаться и разряжаться, тем самым создавая сильнейший импульс с малым сопротивлением. Применяется для производства различных видов ускорителей, лазерных установок, электровспышек и т.д.;
- Аккумулятора полученного заряда. Мощный элемент способен продолжительное время сохранять полученную порцию тока, при этом он может служить адаптером для других устройств. По сравнению с аккумуляторной батареей, конденсатор теряет часть заряда по истечению времени, а также не способен вместить большой объем электричества, например, для промышленных масштабов;
- Зарядки электродвигателя. Подключение осуществляется через третий вывод (рабочее напряжение конденсатора на 380 или 220 Вольт). Благодаря новой технологии, стало возможным использование трехфазного двигателя (с поворотом фазы на 90 градусов), при использовании стандартной сети;
- Устройства-компенсатора. Используется в промышленности для стабилизации реактивной энергии: часть поступающей мощности растворяется и на выходе из конденсатора корректируется под определенный объем.
Видео
Главная особенность электролитических конденсаторов, наверняка, состоит в том, что они по сравнению с остальными обладают большой ёмкостью и довольно небольшими габаритами.
Широко распространённые алюминиевые конденсаторы по сравнению с другими имеют некоторые специфические свойства, которые следует учитывать при их использовании.
За счёт того, что алюминиевые обкладки электролитических конденсаторов скручивают для помещения в цилиндрический корпус, образуется индуктивность. Эта индуктивность во многих случаях нежелательна. Также алюминиевые электролитические конденсаторы обладают так называемым эквивалентным последовательным сопротивлением (ЭПС или на зарубежный манер, ESR). Чем ниже ESR конденсатора, тем он качественнее и более пригоден для работы в цепях, где требуется фильтрация высокочастотных пульсаций. Примером может служить рядовой импульсный блок питания компьютера или адаптер питания ноутбука.
В основном электролитические конденсаторы служат для сглаживания пульсаций тока в цепях выпрямителей переменного тока. Кроме этого они активно используются в звуковоспроизводящей технике для разделения пульсирующего тока (ток звуковой частоты + постоянная составляющая) на постоянную и переменную составляющую тока звуковой частоты, которая подаётся на следующий каскад усиления. Такие конденсаторы называют разделительными.
В практике ремонта можно встретить неисправность, когда разделительный конденсатор "высыхает", а, следовательно, теряет изначальную ёмкость. При этом он плохо разделяет ток звуковой частоты от пульсирующего и не пропускает звуковой сигнал на последующий каскад усиления. Амплитуда звукового сигнала в соответствующем каскаде усиления резко снижается либо вносятся существенные искажения. Поэтому при ремонте усилителей и прочей звуковоспроизводящей аппаратуры стоит внимательно проверять исправность разделительных электролитических конденсаторов.
В связи с тем, что электролитические конденсаторы имеют полярность, то при работе на их обкладках должно поддерживаться постоянное напряжение. Это является их недостатком. В результате их можно применять в цепях с пульсирующим или постоянным током.
Устройство алюминиевого электролитического конденсатора.
Чтобы узнать, как устроены алюминиевые электролитические конденсаторы, давайте распотрошим одного из них. На фото показан разобранный экземпляр ёмкостью 470 мкФ и на номинальное напряжение 400V.
Взял я его из промышленного частотника. Надо сказать, весьма неплохой конденсатор с низким ESR.
Конденсатор состоит из двух тонких алюминиевых пластин, к которым крепятся выводы. Между алюминиевыми пластинами помещается бумага. Она служит диэлектриком. Но это ещё не всё. В данном случае получается обычный бумажный конденсатор с малой ёмкостью.
Для того чтобы получить большую ёмкость и уменьшить размеры готового прибора, бумагу пропитывают электролитом. На фотках можно разглядеть желтоватый электролит на дне алюминиевого стакана.
Далее, пропитанную электролитом бумагу помещают между алюминиевыми обкладками. В результате электрохимических процессов алюминиевая фольга окисляется под действием электролита. На поверхности фольги образуется тонкий слой окисла – оксида алюминия (Al 2 O 3). На вид можно легко определить сторону обкладки с тонким слоем окисла - она темнее.
Оксид алюминия является отличным диэлектриком и обладает свойством односторонней проводимости. Поэтому электролитические конденсаторы полярны и способны работать лишь в цепях с пульсирующим, либо постоянным током.
А что будет, если на электролитический конденсатор подать напряжение обратной полярности?
Если так произойдёт, то начнётся бурная электрохимическая реакция, которая сопровождается сильным нагревом. Электролит моментально вскипает и конденсатор "бабахает". Именно поэтому при установке такого конденсатора в схему нужно строго соблюдать полярность его включения.
Кроме оксида алюминия (Al 2 O 3), благодаря которому удаётся изготавливать конденсаторы с большой электрической ёмкостью, применяются и другие уловки, чтобы увеличить ёмкость и уменьшить размеры готового изделия. Известно, что ёмкость зависит не только от толщины слоя диэлектрика, но и от площади обкладок. Чтобы её увеличить применяют метод травления, аналогичный тому, что используют в своей практике радиолюбители для изготовления печатных плат. На поверхности алюминиевой обкладки вытравливают канавки. Размеры этих канавок малы и их очень много. За счёт этого активная площадь обкладки увеличивается, а, следовательно, и ёмкость.
Если присмотреться, то на алюминиевой обкладке можно заметить еле заметные полоски, наподобие дорожек на грампластинке. Это и есть те самые канавки.
В неполярных электролитических конденсаторах окисляются обе алюминиевые обкладки. В результате он становиться неполярным.
Особенности применения электролитических конденсаторов.
Нетрудно заметить, что на верхней части цилиндрического корпуса у большинства радиальных электролитических конденсаторов нанесена защитная насечка - клапан.
Дело в том, что если на электролит воздействует переменное напряжение, то конденсатор сильно разогревается и жидкий электролит начинает испаряться, давить на стенки корпуса. Из-за этого он может "хлопнуть". Поэтому на корпусе и наноситься защитный клапан, чтобы под действием избыточного давления он открылся и предотвратил "взрыв" конденсатора, выпустив закипающий электролит наружу.
"Взорвавшийся" электролитический конденсатор
Отсюда исходит правило, которое необходимо учитывать при самостоятельном конструировании электроники и ремонте радиоаппаратуры. При диагностике неисправности, а также при первом включении конструируемого или ремонтируемого аппарата, необходимо держаться на расстоянии от электролитических конденсаторов. В случае если при сборке в схеме была допущена ошибка, приводящая к завышению предельного рабочего напряжения конденсатора, либо воздействию на него переменного тока, конденсатор нагреется и "хлопнет". При этом сработает защитный клапан, и электролит под давлением рванёт наружу. Нельзя допускать, чтобы электролит попадал на кожу и тем более в глаза!
Выход из строя электролитического конденсатора не редкость. По внешнему виду можно сразу определить его неисправность. Вот лишь несколько примеров. Все эти конденсаторы пострадали из-за превышения допустимого напряжения.
Автомобильный усилитель. Как видим, "хлопнула" целая грядка электролитов во входном фильтре. Видимо на усилитель подали 24V вместо положенных 12.
Далее - жертва "сетевой атаки". В электросети 220V резко подскочило напряжение из-за обледенения вводов. Как результат, полная неработоспособность блока питания ноутбука. Кондик просто испустил пар. Насечка на корпусе вскрылась.
Маленькое отступление.
Помнится, в студенческую пору была распространена известная забава. Брался электролитический конденсатор, к его выводам подпаивались проводки и в таком виде конденсатор кратковременно подключался к розетке электроосветительной сети 220 Вольт. Он заряжался, накапливая заряд. Далее, ради "прикола" выводами кондёра касались руки ни в чем не подозревающего человека. Тот, естественно, ничего не подозревает и его дёргает небольшой электрический удар. Так вот, делать это крайне опасно!
Как сейчас помню, когда перед началом практики старший мастер строго запретил данную забаву, аргументировав это тем, что был случай, когда парнишке сильно повредило кисть руки, когда тот решил "зарядить" электролитический конденсатор от розетки 220 В. Конденсатор, не выдержав поданного переменного напряжения, взорвался в его руке!
Электролитический конденсатор может выдержать несколько "экспериментальных" попыток заряда от электросети, но может и хлопнуть в любой момент. Всё зависит как от конструкции конденсатора, так и от приложенного напряжения. Данная информация приведена лишь с целью предупредить о крайней опасности таких экспериментов, которые могут закончиться печально.
При ремонте радиоаппаратуры не стоит забывать о том, что после выключения прибора электролитические конденсаторы некоторое время сохраняют электрический заряд. Перед проведением работ их необходимо разряжать. Особенно это стоит учитывать при ремонте всевозможных импульсных блоков питания и выпрямителей, электролитические конденсаторы в которых имеют значительную ёмкость и рабочее напряжение, достигающее 100 – 400 вольт.
Если нечаянно коснуться его выводов, то можно получить неприятный электрический удар. Иногда после таких случаев можно заметить лёгкий ожог кожного покрова в месте касания электродов. О том, как разрядить конденсатор перед проведением работ или измерений уже упоминалось в статье как проверить конденсатор .
Мощные электролитические конденсаторы ёмкостью 10000 мкФ. в блоке питания усилителя Marantz
При использовании электролитических конденсаторов стоит помнить, что рабочее напряжение на них должно соответствовать 80% от номинального рабочего напряжения. Это правило стоит учитывать, если вы хотите обеспечить долгую и стабильную работу конденсатора. Так, если в схеме на конденсатор будет действовать напряжение в 50 вольт, то его стоит выбирать на рабочее напряжение 63 вольта или более. Если установить конденсатор с меньшим рабочим напряжением, то он скоро выйдет из строя.
Как и у любой другой радиодетали, у электролитического конденсатора есть допустимый диапазон рабочей температуры. На его корпусе обычно указывается верхний порог, например +85 или +105.
Для разных моделей конденсаторов диапазон рабочей температуры может простираться от -60 до +85 0 C. Или же от -25 до +105 0 С. Более конкретно узнать допустимый диапазон температур для конкретного изделия можно из документации на него.
Поскольку в электролитических конденсаторах присутствует жидкий электролит, то он со временем высыхает. При этом теряется его ёмкость. Именно поэтому их не рекомендуется размещать рядом с сильно нагревающимися элементами, например, радиаторами охлаждения или же в плохо вентилируемом корпусе.
Стоит отметить тот факт, что электролиты - это ахиллесова пята любой электроники. По своему опыту скажу, что это одна из самых ненадёжных, некачественных и, при этом, дорогих деталей. Качество во многом зависит от производителя. Но это уже другой разговор.
Кроме электролитических конденсаторов в аппаратуре можно встретить и другой элемент, который обладает куда большей ёмкостью и меньшими габаритами, чем классический электролит. Это -
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:
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
