Що таке конденсатор і як він працює?
Якщо ви розглянете друковану плату навіть самого простого електронного пристрою, то обов'язково побачите конденсатор, а найчастіше зустрінете безліч цих елементів. Присутність цих виробів на різних електронних схемах пояснюється властивостями даних радіоелементів, широким діапазоном функцій, які вони виконують.В даний час промисловість поставляє на ринок конденсаторну продукцію різних видів (рис. 1). Параметри виробів варіюються в широких межах, що дозволяє легко підібрати радіодеталей для конкретної мети.
Рис. 1. Поширені типи конденсаторівРозглянемо більш докладно конструкції і основні параметри цих всюдисущих радіоелементів.
Що таке конденсатор?
У класичному розумінні конденсатором є радіоелектронний пристрій, призначений для накопичення енергії електричного поля, що володіє здатністю накопичувати в собі електричний заряд, з подальшою передачею накопиченої енергії іншим елементам електричного кола. Пристрої дуже часто використовують в різних електричних схемах.Конденсатори здатні дуже швидко накопичувати заряд і так само швидко віддавати всю накопичену енергію. Для їх роботи характерна циклічність даного процесу. Величина накопичується електрики і періоди циклів заряду-розряду визначається характеристиками виробів, які в свою чергу залежать від типу моделі. Параметри цих величин можна визначити по маркуванню виробів.Конструкція і принцип роботи
Найпростішим конденсатором є дві металеві пластини, розділені діелектриком. Виступати в якості діелектрика може повітряний простір між пластинами. Модель такого пристрою зображена на рис. 2.
Рис. 2. Модель найпростішого конденсаторного пристроюЯкщо на конструкцію подати постійну напругу, то утворюється короткочасна замкнуте електричне коло. На кожній металевій пластині сконцентруються заряди, полярність яких буде соответствоать полярності прикладеної струму. У міру накопичення зарядів ток буде слабшати, і в певний момент ланцюг розірветься. У нашому випадку це відбудеться блискавично.При підключенні навантаження накопичена енергія спрямується через навантажувальний елемент в зворотному напрямку. Відбудеться короткочасний сплеск електричного струму в утвореній ланцюга. Кількість накопичуваних зарядів (ємність, C) прямо залежить від розмірів пластин.
Одиницю виміру ємності прінятоназивать Фарадою (Ф). 1 F – дуже велика величина, тому на практиці часто застосовують кратні величини: мікрофарад (1 мкФ = 10 -6 F), нанофарадах (1 нФ = 10 -9 F = 10 -3 мкФ), пикофарад (1 пкФ = 10 -12 F = 10 -6 мкФ). Дуже рідко застосовують величину міліфараду (1 мФ = 10 -3 Ф).Конструкції сучасних конденсаторів відрізняються від розглянутої нами моделі. З метою збільшення ємності замість пластин використовують обкладання з алюмінієвої, ниобиевой або танталовой фольги, розділеної діелектриками. Ці листкові стрічки туго згортають в циліндр і поміщають в циліндричний корпус. Принцип роботи не відрізняється від описаного вище.Існують також плоскі конденсатори, конструктивно складаються з безлічі тонких обкладок, спресованих між шарами діелектрика в формі паралелепіпеда. Такі моделі можна уявити собі у вигляді стопки пластин, що утворюють безліч пар обкладок, з'єднаних паралельно.Як діелектриків застосовують:
- папір;
- поліпропілен;
- тефлон;
- Скло;
- полістирол;
- органічні синтетичні плівки;
- емаль;
- титаніт барію;
- кераміку та різні оксидні матеріали.
Рис. 3. Конструкція радіального електролітичного конденсатораЕлектролітичні моделі, а також більшість оксидно-напівпровідникових конденсаторів мають униполярного провідність. Їх експлуатація допустима лише при наявності позитивного потенціалу на аноді і при номінальних напругах. Тому слід суворо дотримуватись полярності підключення згаданих радіоелектронних елементів.На корпусі такого приладу обов'язково вказується полярність (світла смужка зі значками «-», див. Рис. 4) або значок «+» з боку позитивного електрода на корпусах старих вітчизняних конденсаторів.
Малюнок 4. Позначення полярності висновківТермін служби електролітичного конденсатора обмежений. Ці прилади дуже чутливі до високих напруг. Тому при виборі радіоелементу намагайтеся, щоб його робоча напруга було значно вище номінального.
властивості
З опису зрозуміло, що для постійного струму конденсатор є непереборним бар'єром, за винятком випадків пробою діелектрика. У таких електричних ланцюгах радіоелемент використовується для накопичення і збереження електрики на його електродах. Зміна напруги відбувається лише у випадках змін параметрів струму в ланцюзі. Ці зміни можуть зчитувати інші елементи схеми і реагувати на них.У ланцюгах синусоїдального струму конденсатор поводиться подібно котушці індуктивності. Він пропускає змінний струм, але відсікає постійну складову, а значить, може служити відмінним фільтром. Такі радіоелектронні елементи застосовуються в ланцюгах зворотного зв'язку, входять в схеми коливальних контурів і т. П.Ще одна властивість полягає в тому, що змінну ємність можна використовувати для зсуву фаз. Існують спеціальні пускові конденсатори (рис.5), що застосовуються для запусків трифазних електромоторів в однофазних електромережах.
Рис. 5. Пусковий конденсатор з проводами
Основні параметри і характеристики
Ємність.Важливим параметром конденсатора є його номінальна ємність. Для плоского конденсатора справедлива формула:С = (ε * ε0* S) / d,де ε – діелектрична проникність діелектрика, S – розміри обкладок (площа пластин), d – відстань між пластинами (обкладками).Фактична кількість різниться окремих елементів зазвичай невелика, але можна отримати конструкцію ємністю в кілька фарад, якщо паралельно з'єднати величезне число обкладок. В цьому випадку реальна ємність дорівнює сумі всіх ємностей обкладок.Максимальні ємності деяких конденсаторів можуть досягати декількох фарад.питома ємність.Величина, що характеризує відношення ємності до обсягу або до маси радіодеталі. Даний параметр важливий в мікроелектроніці, де розміри деталей дуже важливі.Номінальна напруга.Однією з важливих електричних характеристик є номінальна напруга – значення максимальних напружень, при яких конденсатор може працювати без втрати значень інших його параметрів. При перевищенні критичної величини рівної напрузі пробою відбувається руйнування діелектрика. Тому номінальну напругу підбирають свідомо більше будь-яких можливих максимальних амплітуд синусоїдального струму в ланцюзі конденсатора.Існують характеристики, такі як тангенс кута втрат, температурний коефіцієнт ємності, опір витоку, діелектрична абсорбція і ін., Які цікаві тільки вузьким фахівцям, а їх параметри можна дізнатися зі спеціальних довідників.Класифікація
Основні параметри конденсаторних виробів визначаються типом діелектрика. Від матеріалу залежить стабільність ємності, тангенс діелектричних втрат, п'єзоефект і інші.Виходячи з цього, класифікацію моделей доцільно здійснювати саме по виду діелектрика.За цією ознакою розрізняють такі типи виробів:- вакуумні;
- з повітряним діелектриком;
- радіоелементи, в яких діелектриком є рідина;
- з твердим неорганічним діелектриком (скло, слюда, кераміка). Характеризуються малим струмом витоку;
- моделі з паперовим діелектриком і комбіновані, паперово-плівкові;
- масляні конденсатори постійного струму;
- електролітичні;
- категорія оксидних конденсаторів, до яких відносяться оксидно-напівпровідникові і танталові конденсатори;
- твердотільні, у яких замість рідкого електроліту використовується органічний полімер або полімерний напівпровідник.
- постійні конденсатори, тобто ті, які мають постійну ємність;
- змінні, у яких можна управляти зміною ємності механічним способом або за допомогою прикладеної напруги (варикапи і Варіконди), а також шляхом зміни температури (термоконденсатори);
- клас підлаштування конденсаторів, які використовують для підстроювання або вирівнювання робочих ємностей при налаштуванні контурів, а також з метою періодичного підлаштування різних схем.
Рис. 6. Конденсатори загального призначенняВсі інші ємнісні радіоелементи належать до класу спеціального призначення:
- імпульсні;
- пускові;
- високовольтні (див. рис. 7);
- помехоподавляющие,
- дозиметричні і ін .;
Рис. 7. Високовольтні конденсаториЗображені на фото пристрої можуть працювати в високовольтних ланцюгах порівняно низької частоти.маркування
Для маркування вітчизняних виробів застосовувалася буквена система. Сьогодні поширена цифрове маркування. У буквеної системі застосовувалися символи:- К – конденсатор;
- Б, К, С, Е і т. Д – тип діелектрика, наприклад: К – керамічний, Е – електролітичний;
- На третьому місці стояв символ, що позначає особливості виконання.
Рис. 8. Маркування конденсаторів
- Ємність від 0 до 999 пФ вказують в пікофарад, наприклад: 250p:
- від 1000 до 999999 пФ – в нанофарадах: n180;
- від 1 до 999 мкФ – в мікрофарадах: 2μ5;
- від 1000 до 999999 мкФ – в мілліфарад: m150;
- ємність, більше значення 999999 мкФ, вказують в Фарада.
Позначення на схемах
Кожне сімейство конденсаторів має своє позначення, що дозволяє візуально визначити його тип (див. Рис. 9).
Рис. 9. Позначення на схемахз'єднання конденсаторів
Існує два способи з'єднання: паралельне і послідовне. При паралельному з'єднанні загальна ємність дорівнює сумі ємностей окремих елементів: Ззаг. = С1 + З2 + … + Сn.Для послідовного з'єднання розрахунок ємності розраховується за формулою: Cзаг. = (C1* C2 * … * Cm ) / (C1 + C2+ … + Cn )Щоб швидко порахувати загальну ємність з'єднаних конденсаторів краще скористатися нашими калькуляторами:застосування
Конденсатори застосовуються майже у всіх областях електротехніки. Перерахуємо лише деякі з них:- побудова ланцюгів зворотного зв'язку, фільтрів, коливальних контурів;
- використання в якості елемента пам'яті;
- для компенсації реактивної потужності;
- для реалізації логіки в деяких видах захистів;
- в якості датчика для вимірювання рівня рідини;
- для запуску електродвигунів в однофазних мережах змінного струму.