Конденсатор

Конденсатор – це пристрій, здатний накопичувати електричний заряд.

Конденсатор складається з двох провідників яких називають обкладками конденсатора, які розділені діелектриком.

Головна властивість конденсатора – це те що на його обкладках може накопичуватись рівні по величині і протилежні по знаку заряди.

• Принцип роботи
• Позначення на схемі
• Різниця між полярними та не полярними конденсаторами
• Конденсатори постійної ємності
• Конденсатори змінної ємності
• Підстроювальні конденсатори
• Конденсатор в колі постійного струму
• Конденсатори в колі змінного струму
• Основні характеристики
  • Ємність
  • Максимальна напруга
  • Послідовне з’єднання
  • Паралельне з’єднання
  • За формою обкладок
  • За типом діелектрика
    • Електролітичні конденсатори
    • Керамічні конденсатори
    • Танталові конденсатори
    • Плівкові конденастори

    Принцип роботи

    Якщо одну пластину підключити до плюса джерела електричного струму, а другу – до мінуса, то обидві пластини зарядяться різними зарядами. Заряди продовжуватимуть утримуватися на обкладках навіть після від’єднання джерела живлення. Це тому що заряди різних знаків («+» і «-») прагнуть притягтися один до одного. Однак цьому перешкоджає діелектрик, що розташований на їхньому шляху. Тому заряди, розподілені по всій площі обкладок, залишаються на своїх місцях та утримуються силами взаємного притяжіння.

    Позначення на схемі

    Різниця між полярними та не полярними конденсаторами

    Процес виготовлення електролітичних конденсаторів дуже відрізняється від, наприклад, керамічних або поліпропіленових в яких як обкладки, так і діелектрик однорідні по відношенню один до одного, тобто немає відмінності в структурі на межі обкладка-діелектрик з обох сторін діелектрика, а електролітичні конденсатори мають відмінність в структурі переходу діелектрик -обкладка з двох сторін діелектрика: анод та катод відрізняються за хімічним складом та фізичними властивостями.

    Якщо включити полярний конденсатор у ланцюг неправильно, реакції не зможуть нормально протікати, і конденсатор не буде нормально працювати. Неполярні конденсатори можуть працювати в будь-якому включенні, оскільки в них немає ні анода, ні катода, ні електроліту, і їх обкладки взаємодіють з діелектриком однаково, так само як і з джерелом.

    Конденсатори постійної ємності

    Ємності цих конденсаторів визначає виробник і змінювати її в процесі експлуатації вже не можливо.

    Конденсатори змінної ємності

    Ємніть таких конденсаторів можна змінювати під час експлуатації певного електронного приладу, але ця ємність має певні межі які встановлює виробник.

    Підстроювальні конденсатори

    Підстроювальні конденсатори відрізняються від конденсаторів змінної ємності лише тим, що змінний конденсатор крутять частіше, ніж підстроювальний. Їх зазвичай використовують для остаточного налаштування радіо-електронного приладу або для усунення погрішності яка може виникнути з часом під час експлуатації.

    Конденсатор в колі постійного струму

    В колі постійного струму в конденсаторі не протікає струм тому що між обкладками конденсатора знаходиться діелектрик, а отже це розрив електричного кола.

    Але якщо до розрядженого конденсатора прикласти постійну напругу все-таки на декілька секунд конденсатор буде пропускати електричний струм до моменту поки він не зарядиться і при рівності напруг джерела напруги та на пластинах конденсатора, струм перестане протікати. Час протікання постійного електричного струму через конденсатор залежить від ємності конденсатора.

    Конденсатор в колі змінного струму

    Змінний струм конденсатор також не пропускає, проте змінний струм постійно перезаряджає накопичувач, що створює картину, начебто змінний струм проходить крізь обкладки конденсатора.

    Основні характеристики

    Ємність

    Ємність вимірюється у Фарадах і позначається у формулах літерою “С” . Ємність конденсатора відноситься до головного параметра конденсатора.

    Фарад (F) дорівнює кулону / вольт.

    Фарад – це дуже велика одиниця, тому використовується мікрофарад (мкФ), який дорівнює 10 -6 фарад; або піковий фарад (pF), який дорівнює 10 -12 фарад.

    Максимальна напруга

    Напруга перевищення якої виведе конденсатор з ладу майже відразу, настає так званий пробій діелектрика. Робоча напруга залежить від якості та товщини діелектрика, що використовується в конденсаторі. Чим товстіше діелектрик, тим більшу напругу зможе витримати конденсатор, але разом з цим збільшується і габаритний розмір.

    З’єднання конденсаторів

    Для підбору необхідної електроємності для заданої робочої напруги, конденсатори з’єднують у батареї. Можливими є три типи з’єднань конденсаторів: послідовне, паралельне і змішане.

    Послідовне з’єднання конденсаторів

    До точок включення приєднуються контакти тільки першого і останнього конденсатора.

    Напруга на клемах такої батареї дорівнюватиме сумі напруг на всіх послідовно з’єднаних конденсаторах.

    Однак сумарна ємність буде вдвічі меншою від окремого накопичувача.

    Паралельне з’єднання конденсаторів

    При паралельному з’єднанні конденсаторів відбувається збільшення площі обкладок, завдяки чому вони здатні накопичити більшу кількість електричних зарядів.

    Напруга на кожному конденсаторі однакова і дорівнює напрузі на клемах батареї.

    Типи конденсаторів

    За формою обкладок:

    За формою обкладок конденсатори бувають: плоскі, циліндричні, сферичні, рулонні та інші.

    Електроємність плоского конденсатора

    Конденсатор, який складається з двох паралельних металевих пластин (обкладок), розділених шаром діелектрика, називають плоским. Електроємність плоского конденсатора обчислюють за формулою:

    де ε0 = 8,85 ·10-12 Ф/м – електрична стала; ε – діелектрична проникність діелектрика; S – площа пластини конденсатора; d – відстань між пластинами.

    Ємність циліндричного конденсатора:

    де l — довжина циліндра, b — радіус зовнішньої обкладки, a — радіус внутрішньої обкладки.

    За типом діелектрика:

    Електролітичні конденсатори

    Широко використовуються як електричні фільтри для згладжування випрямленої напруги. Мають велику ємність при малих габаритах. Зазвичай вони є полярними електричними накопичувачами, тобто повинні включатися в електричне коло з дотриманням полярності, інакше він вийде з ладу, а також він може вибухнути. Тому на електролітичних конденсаторах робляться спеціальні захисні надсічки в верхній чатині.

    Негативний вивід електролітичного конденсатора коротше позитивного, та на корпусі поруч із ним наноситься відповідний знак – мінус.

    Електролітичні конденсатори бувають трьох видів залежно від того який електроліт використовується:

    – Алюмінієвий електроліт

    Номінальна напруга VR: від 4 до 650 Вольт постійного струму.

    Найширший асортимент у всіх розмірах

    Знижена продуктивність при низькій температурі

    Обмежений термін служби при високій температурі

    – Твердий провідний полімер

    Номінальна напруга VR: від 2.5 дo 100 Вольт постійного струму.

    Стійкий до низьких і високих температур

    Дуже стабільний і тривалий термін служби – не висихає

    – Гібридний провідний полімер

    Номінальна напруга VR: Від 16 до 400 В постійного струму

    Більш стабільний, ніж рідкого типу

    Нижчий струм витоку, ніж твердого провідного полімеру

    Керамічні конденсатори

    В таких конденсаторах діелектриком являється кераміка.

    Керамічні одношарові конденсатори

    Одношаровий керамічний конденсатор (SLCC або SLC) складається з одного діелектричного шару. Кераміка покрита адгезивним шаром, наприклад, з хромонікелевого сплаву як основа для мідних електродів. До електродів припаюють виво до того, як компонент буде покритий лаком або епоксидною смолою.

    Малі струми витоку і низька індуктивність що дозволяє їм легко працювати на високих частотах, при постійному, змінному і пульсуючих струмах. Найбільш часто застосовуються в фільтрах блоків живлення і як фільтр поглинає високочастотні імпульси і перешкоди.

    Багатошарові керамічні конденсатори

    Складаються з декількох шарів металевих пластин і діелектрика у вигляді кераміки, що дозволяє мати їм більшу ємність ніж у одношарових і може бути порядку декількох микрофарад, але максимальне напруження у даного типу все також не може перевищувати 50 вольт.
    Застосовуються в основному як фільтруючі елементи і можуть справно працювати як з постійним, так і зі змінним і пульсуючим струмом.

    Танталові конденсатори

    Танталові конденсатори дуже чутливі до перевищення номінальної напруги, їх рекомендують використовувати в схемах, де робоча напруга нижче за номінальну напругу.

    Танталові конденсатори для монтажу в отвори зазвичай мають краплеподібну форму, покриті жовто-жовтогарячим компаундом і мають з боку плюсового виведення мітку у вигляді лінії.

    Плівкові конденсатори

    Конденсатори з плівковим діелектриком випускаються в епоксидному та пластиковому корпусі з епоксидною заливкою. Епоксидне покриття забезпечує високу термостійкість, вологостійкість та стійкість до розчинників.

    В якості діелектрика використовується плівка з різних полімерних матеріалів (полістеролу, поліпропелену і т.д.) Обкладками служить металева фольга або металізована плівка.

    Як обрати конденсатор — інструкція для початківців

    При виготовленні електричних мікросхем, напевно кожен використовував конденсатори та не мав жодних думок з цього приводу. Зазвичай конденсатори використовують для пом’якшення коливань напруги чи струму, взаємодії навантажень, як джерело живлення для малопотужних пристроїв, і тд.

    Для виготовлення конденсаторів наразі існує великий вибір методик виготовлення, використовуючи різну сировину з унікальними для кожної властивостями. Для орієнтації та підбору конденсатора, який підходить якнайкраще необхідне усвідомлення, як працюють ці пристрої. Доволі часто виникають різного роду проблеми (напр. з температурною стабільністю), тому радимо Вам детальніше ознайомитися з цією статтею.

    Принципи роботи та технічні особливості

    Зручний у використанні конденсатор складається з листів, які проводять струм, розмежованих ізолятором. Заряд аккумулюється на цих листах, проте не проходить далі через ізоляційні властивості вбудованого діелектрика. Таким чином конденсатор накопичує заряд.

    Одиниця виміру фаради (Ф) вимірює ємність конденсатора, наприклад: один фарад ємності видає напругу в 1 Вт, якщо в ньому міститься заряд в один кулон (Кл). Можна зустріти ємність у з мікро, нано та пікофарад у деяких моделях суперконденсаторів. По формулі з Вікіпедії можливо вивести ємність Вашого конденсатора з його розмірів та особливостей ізолятора. З неї можна занотувати корисний факт. Ємність є пропорційною діелектричній проникності використаного діелектрика, що призводить до появи у продажу багатьох конденсаторів, які використовують різні ізоляційні матеріали, щоб досягти великих ємностей або поліпшення характеристик напруги.

    Паразитна індуктивність та опір конденсатора

    При використанні діелектриків виникає проблема, поряд з тим, що діелектрик з необхідними характеристиками наділений незручними особливості у процесі подальшого застосування. У всіх конденсаторів є малий паразитний опір і індуктивність, що мають вплив на роботу пристрою. Електричні постійні моделюються залежно від температури, напруги, чи п’єзоелектрики.

    Про різні типи конденсаторів та їх властивості, неважливо гарні, або погані детально описано в наступній частині статті. Звісно усі наявні технології не висвітлено, проте більшість загальних описано.

    Електролітичні алюмінієві конденсатори

    Даний тип конденсаторів складається з першої пластини-діелектрика на основі анодно-оксидного шару на алюмінієвому (Al) листі, та наступної пластини з електроліту з електрохімічної комірки. Завдяки електрохімічній комірці конденсатори стають полярними, іншими словами напруга постійного струму протікатиме у певному напрямі й анодована пластина буде з позитивним зарядом або +.

    Фактично, пластини конденсатора виконані у вигляді шарів торту з алюмінієвої фольги, обгорнуті у циліндр і розміщені в алюмінієвій банці. Номінальна напруга залежить від товщі анодованого шару.

    Електролітичні алюмінієві конденсатори, входять в групу SMD конденсаторів та вирізняються найбільшою ємністю серед загальновживаних, від 0,1 до тис. мкФ. Щільна пакування електрохімічної комірки створює велику еквівалентну послідовну індуктивність (або ефективну індуктивність), тому їх не можна застосовувати на високих частотах. Доволі часто їх використовують для згладжування живлення струму і роз’єднання.

    Конденсатори з полімерними плівками

    Існує група в якій застосовується плівки полімерні в якості ізоляторів. Плівка чергується зі скрученими листами з металевої фольги, чи має металізований лист на поверхні. Напруга пристроїв сягає і до 1000 В, але великою ємністю плівкові конденсатори не наділені — загалом від 100 пФ до декількох мкФ. Різні варіації плівок мають свої переваги та недоліки, проте загалом вся група вирізняється більш невисокою ємністю та індуктивністю, у порівнянні з електролітичними, тому використовуються у різних сферах.

    Поліпропіленові конденсатори застосовуються у схемах, де необхідна гарна теплова та частотна стабільність. Застосовуються в системах живлення, або де потрібне використання змінних струмів максимальної напруги.

    Конденсатори з поліестерової плівки, не вирізняються характеристиками, щодо стабільності частоти та теплоти, проте вони дешеві й переносять високі температури під час пайки при поверхневому монтажу.

    • Поліетилен-нафталатові конденсаторах схожі до полістиролових, проте витримують ще більшу напругу та температуру.
    • Поліетилен-сульфідові не вирізняються характеристиками, порівнюючи з поліпропіленовими, і до цього переносять високі температури.

    Раніше були у використанні також полікарбонатні й полістіренові конденсатори та наразі вони поступаються у характеристиках сучасним плівкам.

    Танталові електролітичні конденсатори

    Даний тип конденсаторів, що також входить в групу SMD конденсаторів має танталовий анод та поверхню на яку наносять вагомий шар оксиду, далі створюється електроліт з діоксиду марганцю, в якості катода. Поєднання широкої площі поверхні й ізоляційних характеристик оксиду танталу стає причиною великої ємності з розрахунком на об’єм. У результаті дані пристрої мають менші габарити порівнянної ємності до алюмінієвих конденсаторів. Аналогічно до попередніх, танталові також мають полярність, саме тому постійний струм має протікати тільки в одному спрямуванні.

    Можлива ємність коливається від 0,1 до декількох сотень мкФ. Вони мають незначний опір витоку і рівнозначний послідовний опір (ESR), тому дані конденсатори беруть участь в тестуванні вимірювальних приладів і у аудіопристроях найвищої якості – там, де це потрібно.

    Говорячи про танталові конденсатори необхідно уважно стежити за тим, щоб вони не вийшли з ладу — в такому випадку вони можуть запалюватися . Оксид танталу з аморфними властивостями — чудовий діелектрик, але в кристалічній формі перетворюється на гарний провідник. Хибне застосування танталового конденсатора – приміром, підведення значно потужнішого пускового струму призведе до зміни діелектрика на кристалічну форму, що своєю чергою призведе до збільшення струму, який протікає через нього. Щоправда, сучасні методи створення цих конденсаторів дозволяють виробляти надійніші засоби.

    Керамічні конденсатори

    Історія керамічних конденсаторів йде в минуле — їх застосовували з перших десятиліть 20-ого століття і донині. Раніше конденсатори мали один шар кераміки, металізованим з усіх сторін. Більш сучасні є і багатошарові, де лист-пластина покрита металом і чергується з керамікою. Дивлячись на діелектрик ємність може бути від 1 пФ до 10-ків мкФ, а напруга досягає кіловольту. Застосовують при необхідності малої ємності, тому існують як одношарові керамічні, так і багатошарові конденсатори для поверхневого монтажу.

    Класифікація керамічних конденсаторів

    Зручна класифікація керамічних конденсаторів по діелектриках, адже це вони наділені різними властивостями. Класифікація проводиться за кодами трибуквеними, в яких зашифрована їх робоча температура і стабільність.

    1. C0G мають безперечну стабільність в ємності стосовно t°, частоти та напруги. Під’єднують до високочастотних схем і тд.

    2. X7R для роз’єднання та універсальних випадків.

    3. Y5V мають непогану ємність, проте витривалість по температурі та напрузі у них ще нижча. Також використовуються для роз’єднання чи в різних універсальних додатках.

    Доволі часто кераміка має і п’єзоелектричні властивості, тому такі конденсатори мають і мікрофонний ефект. При роботі з великою напругою і частотою в аудіодіапазонах, та у випадку лампових підсилювачів або електростатики можливо почути звук конденсаторів. При використанні п’єзоелектричного конденсатора для впровадження частотної стабілізації, його звук змінюється вібрацією його оточення.

    Переклад статті з ресурсу HACKADAY

    Для того, щоб отримати кваліфіковану консультацію про різноманітні конденсатори та придбати їх в Україні, зверніться в офіс Компанії СЕА за телефоном: +38 (044) 330-00-88 або пишіть на e-mail: [email protected].