Конденсаторы: что это, принцип работы, характеристики, виды

Конденсатор — это пассивный электронный компонент, состоящий из двух электродов, разделённых диэлектриком (материал, который плохо проводит электрический ток). Конденсатор может накапливать электрический заряд и чем больше площадь электродов и толщина диэлектрика, тем больше заряд может накопить конденсатор. Ёмкость конденсатора — это величина, которая характеризует его способность накапливать заряд, измеряется в фарадах (Ф).

Конденсаторы используются в различных электрических схема и устройствах, в целом. Они применяются в качестве накопителей энергии в источниках бесперебойного питания, в радиотехнике для разделения частот, в фильтрах для сглаживания сигналов и во многих других областях.

Содержание

• История создания конденсатора
• Устройство и принцип работы конденсатора
• Основные характеристики конденсатора, ВАХ
• Виды конденсаторов
• По виду диэлектрика
• По изменению емкости
• По полярности
• Применение конденсаторов
• Маркировка конденсаторов и система обозначений
• Обозначение конденсаторов на схеме

История создания конденсатора

В 1745 году голландский учёный Питер ван Мушенбрук в Лейденском университете случайно обнаружил, что банка с водой может накапливать электрический заряд, если извлекать его из электростатической машины при помощи проводника, погруженного в воду. Так была создана первая форма конденсатора — лейденская банка. В следующем году независимо от ван Мушенбрука, немецкий священник Эвальд Юрген фон Клейст также изобретает аналогичное устройство.

Первые примитивные конденсаторы стали появляться в начале XIX века. Вместо воды стали использовать другие диэлектрики, такие как стекло, вощеная бумага и др.

В 1831 году английский учёный Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции и создал первый электромагнитный конденсатор. Он обмотал металлический стержень проволокой, создав катушку, и поместил её в магнитное поле. При изменении магнитного поля в катушке возникал электрический ток, который мог быть использован для различных целей. Однако эти ранние конденсаторы имели очень низкую ёмкость и не могли быть использованы для накопления больших количеств электрической энергии.

В ХХ веке началось массовое производство конденсаторов из-за развития и повсеместного применения электронных приборов. Введение новых материалов (например, полимерных пленок, керамики, алюминиевой и танталовой основы) позволило значительно уменьшить размер конденсаторов и повысить их емкость. В середине века началась разработка электролитических конденсаторов, которые позволили накапливать ещё большую ёмкость по сравнению с их физическим размером.

На конец ХХ и начало ХХI века приходится появление суперконденсаторов, которые отличаются от традиционных конденсаторов высокой емкостью и способностью максимально быстро отдавать накопленный заряд.

Следующие шаги в развитии конденсаторной технологии, несомненно, связаны с поиском новых материалов, улучшением энергоэффективности, увеличением ёмкости и надежности, а также уменьшением физических размеров и экологического воздействия.

Устройство и принцип работы конденсатора

Конструктивно конденсатор состоит из двух проводников (называемых обкладками), разделённых диэлектриком. Эти части помещаются в герметичных корпус, предотвращающий воздействие внешней среды. Обкладки часто изготавливаются из металлической фольги или другого металлизированного материала, а в роли диэлектрика выступают керамические, слюдяные, полимерные пластины, бумага, воздушный слой и др.

Когда на конденсатор подаётся напряжение, на одной из его обкладок начинают собираться электроны (отрицательный заряд), а с другой — соответствующее количество электронов убирается, оставляя за собой положительный заряд. Электроны не могут перейти через диэлектрик, поэтому между обкладками возникает статическое электрическое поле. Благодаря разности потенциалов между обкладками поле удерживается.

Когда конденсатор подключается в цепь с потребителем, электрическое поле начинает разрушаться, и конденсатор отдаёт накопленный заряд в цепь, действуя как источник энергии до тех пор, пока потенциалы обкладок не уравняются.

Основные характеристики конденсатора, ВАХ

Основной характеристикой конденсатора является его емкость, которая измеряется в фарадах (Ф) и показывает, какое количество заряда конденсатор может накопить при определенном напряжении. Емкость зависит от площади пластин, расстояния между ними и свойств диэлектрика. Чем больше площадь пластин и меньше расстояние между ними, тем большую емкость имеет конденсатор.

Некоторые конденсаторы могут обладать определенной точностью (допуском), которая относится к тому, насколько близко емкость конденсатора соответствует номинальному значению. Это может быть важным фактором, особенно для схем, где точность является критической, например, в точных фильтрах или усилительных цепях.

Второй важной величиной является номинальное рабочее напряжение. Это максимальное напряжение, которое может быть приложено к конденсатору без пробоя диэлектрика.

Плотность энергии конденсатора указывает на количество энергии, которое может быть хранено в единице объёма. В свою очередь, удельная емкость указывает на ёмкость конденсатора в единице площади его электродов. Это важные параметры для понимания свойств и оценки эффективности конденсатора.

Ток утечки — небольшой ток, который протекает через диэлектрик, даже когда на конденсаторе присутствует постоянное напряжение. Это ток саморазряда конденсатора.

Для прецизионных и высокоэффективных схем особенно важно знать температурный коэффициент, который показывает, как меняется емкость конденсатора при изменении температуры.

Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) определяет паразитное сопротивление конденсатора, оказывающее влияние на его работу в цепях переменного тока и при импульсных нагрузках.

Эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) — индуктивность, обусловленная конструкцией конденсатора, которая важна в высокочастотных приложениях.

В цепи переменного тока конденсатор проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки. Величина противодействия потоку переменного тока (AC) через него называется импедансом конденсатора.

Кроме того, конденсаторы могут иметь и другие характеристики, такие как размеры, вид корпуса, полярность, рабочая температура, частотная зависимость и др.

Виды конденсаторов

Существует множество типов конденсаторов, классифицируемых по-разному: по диэлектрическому материалу, по способу изготовления, по форме и так далее. Далее представлены основные виды конденсаторов.

По виду диэлектрика

Бумажные конденсаторы. В этих конденсаторах роль диэлектрика выполняет бумага, пропитанная маслом или воском для улучшения электрических показателей и защиты от влаги. Бумажные конденсаторы могут впитывать влагу, что приводит к ухудшению их электрических характеристик и сокращению срока службы. Они также больше и тяжелее современных конденсаторов с такой же емкостью. К тому же, они не могут работать при таких высоких частотах, как пленочные или керамические конденсаторы. В связи с этим, бумажные конденсаторы были в значительной степени вытеснены более современными типами, хотя и до сих пор могут быть найдены в старинных устройствах или в специализированных применениях.

Керамические конденсаторы. Это одни из наиболее распространенных конденсаторов. Они используют керамический материал в качестве диэлектрика. У них обычно высокая точность, низкое паразитное индуктивное сопротивление (ESL) и электрическое сопротивление (ESR), что делает их хорошим выбором для высокочастотных приложений. Могут быть однослойными и многослойными (MLCC). Последние представляют собой специальную разновидность керамических конденсаторов, состоящих из нескольких слоев керамики, разделенных слоем металла. Они обладают высокой емкостью, широким диапазоном рабочих температур и малыми размерами.

Пленочные конденсаторы. В качестве диэлектрика они используют тонкие пленки, которые располагаются друг над другом. В зависимости от используемой пленки могут быть полипропиленовые (МКП), полиэстерные (МКТ), поликарбонатные, металлизированные и другие. Они обладают хорошей стабильностью, низкими потерями и высокой рабочей температурой. Пленочные конденсаторы часто применяются в цепях переменного тока и в силовой электронике.

Электролитические конденсаторы. Эти конденсаторы имеют большую емкость по сравнению с другими видами и часто используют жидкий электролит. Они подразделяются на алюминиевые, танталовые и ниобиевые. Алюминиевые конденсаторы имеют большую емкость, низкую стоимость и применяются повсеместно. Танталовые конденсаторы обладают лучшей стабильностью и низким сопротивлением, но обычно имеют меньшую емкость по сравнению с алюминиевыми. Обычно используются в устройствах с низким напряжением. Ниобиевые конденсаторы характеризуются более высокой емкостью на единицу объема, хорошей устойчивостью к вибрациям и ударам.

Суперконденсаторы (ионисторы). В отличие от обычных конденсаторов, основная структура суперконденсаторов включает две электродные пористые углеродные пластины, разделенные электролитом или полимерной мембраной. На поверхности электродов создается большая площадь активного материала, что обеспечивает большую емкость устройства, способность принимать и отдавать большое количество энергии за короткое время. При этом ионисторы способны выдерживать миллионы циклов зарядки-разрядки из-за того, что энергия хранится статически на поверхности раздела между электродом и электролитом. Все это обуславливает их широкое применение в источниках питания, системах освещения и оповещения.

Вакуумные конденсаторы. Состоят из двух металлических пластин, разделенных пустым свободным от вещества пространством (вакуумом). Высокое напряжение пробоя вакуума позволяет использовать эти конденсаторы в высоковольтных установках, а очень низкие диэлектрические потери обеспечивают высокое качество сигнала, полезное, например, в радиопередатчиках.

По изменению емкости

Постоянные конденсаторы. Постоянные конденсаторы имеют емкость, которая не предназначена для изменения в течение срока эксплуатации компонента. Емкость таких конденсаторов задается в процессе изготовления, и они используются там, где устойчивость емкости является критически важным параметром. Они применяются в широком спектре схем, начиная от фильтров и стабилизаторов до схем синхронизации и накопительных цепей.

Переменные конденсаторы. Переменные конденсаторы спроектированы таким образом, что их емкость может быть изменена электронно или механически, в зависимости от внешнего управления. Обычно это достигается путем изменения площади перекрытия пластин или изменением диэлектрической проницаемости материала между пластинами. Такие конденсаторы используются в цепях настройки радиоприемников и генераторов для изменения резонансной частоты.

Подстроечные конденсаторы. Это вид переменных конденсаторов, которые предназначены для тонкой настройки или "подстройки" схем после сборки. Они обычно имеют маленькие значения емкости, которые могут быть регулируемы в относительно узком диапазоне. Часто используются в радиочастотных (RF) схемах, генераторах, фильтрах и других устройствах, где необходима точная настройка емкости для достижения правильной работы.

По полярности

Конденсаторы полярные. Полярность — это ключевая характеристика этих конденсаторов, что означает, что они предназначены для подключения к схеме таким образом, чтобы положительный и отрицательный электроды подключались к соответствующей полярности напряжения, если полярность перепутать, конденсатор может быть поврежден или даже взорваться. Полярные конденсаторы обычно могут иметь значительно большую емкость на единицу объема, чем неполярные конденсаторы того же размера.

Конденсаторы неполярные. Неполярные конденсаторы могут быть подключены в любом направлении, что снижает риск неисправности из-за неправильного подключения. Также одна из основных причин использования неполярных конденсаторов - их способность работать в цепях с переменным током. В отличие от полярных конденсаторов, которые требуют определенного направления тока для корректной работоспособности, неполярные могут работать с любым направлением тока, что делает их идеальными для схем, где направление тока может меняться.

Применение

Конденсаторы используются в самых разных областях электроники и электротехники благодаря своему способности накапливать и отдавать заряд. Их применение охватывает огромный диапазон, от простейших электронных устройств до сложных промышленных систем. Вот несколько типовых примеров использования конденсаторов:

• Фильтрация питания. Конденсаторы используются для сглаживания пульсаций после выпрямителя в блоках питания. Они могут накапливать заряд когда напряжение высокое и отдавать его когда напряжение уменьшается, тем самым сглаживая выходное напряжение.
• Сигнальные цепи и связь. В радиочастотных и аудио устройствах конденсаторы используются для блокировки постоянного тока, пропуская при этом переменный ток.
• Стабилизация напряжения и тока. В цепях обратной связи, конденсаторы помогают стабилизировать напряжение и ток, предотвращая всплески и падения, что особенно важно в высокоточных аналоговых цепях.
• Тайминг и задержка. В сочетании с резисторами конденсаторы образуют RC-цепи, используемые для создания задержек времени или для формирования таймеров в электронных схемах.
• Сглаживание импульсов. Конденсаторы могут служить для "сглаживания" коротких импульсов, что особенно полезно в цифровых схемах для снижения ложных срабатываний из-за "шумов" или кратковременных изменений напряжения.
• Энергетическое хранение. Электролитические и суперконденсаторы имеют большую ёмкость и могут использоваться для временного хранения энергии, например, в системах аварийного питания или для быстрых всплесков мощности в электрических транспортных средствах.
• Снижение интерференции. В EMI/RFI фильтрах конденсаторы используются для подавления электромагнитных помех путем шунтирования нежелательных сигналов на землю или на источник питания.
• Системы связи. Конденсаторы играют ключевую роль в конструкции антенн и других устройств связи для настройки и согласования импедансов.
• Медицинское оборудование. От дефибрилляторов, использующих конденсаторы для накопления и быстрого разряда электроэнергии для реанимации сердца, до медицинских устройств визуализации, где конденсаторы нужны для регулирования и контроля тока и напряжения.
• Запуск двигателей. В промышленных и бытовых приложениях конденсаторы используются для создания фазового сдвига, необходимого для старта однофазных двигателей.
• Коррекция коэффициента мощности. Промышленные конденсаторы применяют для улучшения коэффициента мощности в энергосистемах, уменьшая реактивную мощность и тем самым повышая эффективность системы.

Маркировка и система обозначений

Маркировка конденсаторов может варьироваться в зависимости от типа, размера и производителя конденсаторов, но обычно она включает в себя информацию о емкости, допуске, рабочем напряжении и других электрических характеристиках. Вот некоторые общие аспекты маркировки конденсаторов:

Емкость. Емкость конденсатора обычно указывается в микрофарадах (мкФ или uF), нанофарадах (нФ или nF) или пикофарадах (пФ или pF).

В случае трехцифровой маркировки первые две цифры определяют значение, а последняя — показатель степени по основанию 10, для получения номинала в пикофарадах. Если последняя цифра равна «9», то показатель степени равен «-1», если последняя цифра «0», то показатель степени «1», если последняя цифра «1», то показатель степени «2» и т.д. При этом если первая цифра «0», то емкость менее 1пФ (010 = 1.0 пФ).

Если цифровой код представлен четырьмя цифрами, то расшифровка производится аналогичным способом, только значение будет представлено первыми тремя цифрами, а степень последней.

В случае, если применяется буквенно-цифровое маркировка, то для обозначения десятичных значений часто используются буквы «M» (или «µ»), «n» и «p», которые обозначают мкФ, нФ, пФ соответственно.

Пример: «220n» = 220 нФ.

Также можно встретить букву «R», которая обозначает десятичную точку в микрофарадах, а если перед буквой стоит «0», то это пикофарады.

Пример: «7R4» = 7.4 мкФ, «0R3» = 0.3 пФ.

Допуск. Допуск указывает на возможное отклонение емкости от номинального значения в процентах и часто маркируется буквенным кодом. Например, «J» означает допуск ±5%, «K» ±10%, а «M» ±20%.

Рабочее напряжение. Это напряжение, на которое конденсатор рассчитан для непрерывной работы. Оно может быть указано цифрами, например, «16V» для 16 вольт. Иногда используются буквенные коды для обозначения стандартных номинальных напряжений.

Обозначение на схеме

Обозначение конденсатора на схеме может немного отличаться в зависимости от стандарта.

Европейский стандарт (IEC). На схеме конденсатор обозначается двумя параллельными линиями, которые могут быть указаны горизонтально или вертикально. Полярные конденсаторы могут иметь символ плюс (+) для обозначения положительного электрода. Дополнительно, неполярные конденсаторы иногда могут быть обозначены как круг с внутренней отрицательной пластиной (нижний рисунок).

Американский стандарт (ANSI). Конденсаторы на американских схемах обозначаются одной прямой и одной изогнутой линией, представляющими пластины конденсатора. Полярные конденсаторы также могут быть отмечены плюсом или минусом, чтобы указывать полярность.