— это электрический (электронный) компонент, состоящий из двух проводников (обкладок), разделенных между собой слоем диэлектрика. Существует много видов конденсаторов. В основном они делятся по материалу из которого изготовлены обкладки и по типу используемого диэлектрика между ними.
Виды конденсаторов
Бумажные и металлобумажные конденсаторы
У бумажного конденсатора диэлектриком, разделяющим фольгированные обкладки, является специальная конденсаторная бумага. В электронике бумажные конденсаторы могут применяться как в цепях низкой частоты, так и в высокочастотных цепях.
Хорошим качеством электрической изоляции и повышенной удельной емкостью обладают герметичные металлобумажные конденсаторы, у которых вместо фольги (как в бумажных конденсаторах) используется вакуумное напыление металла на бумажный диэлектрик.
Бумажный конденсатор не имеет большую механическую прочность, поэтому его начинку помещают в металлический корпус, служащий механической основой его конструкции.
Электролитические конденсаторы
В электролитических конденсаторах, в отличии от бумажных, диэлектриком является тонкий слой оксида металла, образованный электрохимическим способом на положительной обложке из того же металла.
Вторую обложку представляет собой жидкий или сухой электролит. Материалом, создающим металлический электрод в электролитическом конденсаторе, может быть, в частности, алюминий и тантал. Традиционно, на техническом жаргоне «электролитом» называют алюминиевые конденсаторы с жидким электролитом.
Но, на самом деле, к электролитическим также относятся и танталовые конденсаторы с твердым электролитом (реже встречаются с жидким электролитом). Почти все электролитические конденсаторы поляризованы, и поэтому они могут работать только в цепях с постоянным напряжением с соблюдением полярности.
В случае инверсии полярности, может произойти необратимая химическая реакция внутри конденсатора, ведущая к разрушению конденсатора, вплоть до его взрыва по причине выделяемого внутри него газа.
К электролитическим конденсаторам так же относится, так называемые, суперконденсаторы (ионисторы) обладающие электроемкостью, доходящей порой до нескольких тысяч Фарад.
Алюминиевые электролитические конденсаторы
В качестве положительного электрода используется алюминий. Диэлектрик представляет собой тонкий слой триоксида алюминия (Al 2 O 3),
Свойства:
- работают корректно только на малых частотах;
- имеют большую емкость.
Характеризуются высоким соотношением емкости к размеру: электролитические конденсаторы обычно имеют большие размеры, но конденсаторы другого типа, одинаковой емкости и напряжением пробоя были бы гораздо больше по размеру.
Характеризуются высокими токами утечки, имеют умеренно низкое сопротивление и индуктивность.
Танталовые электролитические конденсаторы
Это вид электролитического конденсатора, в которых металлический электрод выполнен из тантала, а диэлектрический слой образован из пентаоксида тантала (Ta 2 O 5).
Свойства:
- высокая устойчивость к внешнему воздействию;
- компактный размер: для небольших (от нескольких сотен микрофарад), размер сопоставим или меньше, чем у алюминиевых конденсаторов с таким же максимальным напряжением пробоя;
- меньший ток утечки по сравнению с алюминиевыми конденсаторами.
Полимерные конденсаторы
В отличие от обычных электролитических конденсаторов, современные твердотельные конденсаторы вместо оксидной пленки, используемой в качестве разделителя обкладок, имеют диэлектрик из полимера. Такой вид конденсатора не подвержен раздуванию и утечке заряда.
Физические свойства полимера способствуют тому, что такие конденсаторы отличаются большим импульсным током, низким эквивалентным сопротивлением и стабильным температурным коэффициентом даже при низких температурах.
Полимерные конденсаторы могут заменять электролитические или танталовые конденсаторы во многих схемах, например, в фильтрах для импульсных блоков питания, или в преобразователях DC-DC.
Пленочные конденсаторы
В данном виде конденсатора диэлектриком является пленка из пластика, например, полиэстер (KT, MKT, MFT), полипропилен (KP, MKP, MFP) или поликарбонат (KC, MKC).
Электроды могут быть напыленными на эту пленку (MKT, MKP, MKC) или изготовлены в виде отдельной металлической фольги, сматывающейся в рулон или спрессованной вместе с пленкой диэлектрика (KT, KP, KC). Современным материалом для пленки конденсаторов является полифениленсульфид (PPS).
Общие свойства пленочных конденсаторов (для всех видов диэлектриков):
- работают исправно при большом токе;
- имеют высокую прочность на растяжение;
- имеют относительно небольшую емкость;
- минимальный ток утечки;
- используется в резонансных цепях и в RC-снабберах.
Отдельные виды пленки отличаются:
- температурными свойствами (в том числе со знаком температурного коэффициента емкости, который является отрицательным для полипропилена и полистирола, и положительным для полиэстера и поликарбоната)
- максимальной рабочей температурой (от 125 °C, для полиэстера и поликарбоната, до 100 °C для полипропилена и 70 °С для полистирола)
- устойчивостью к электрическому пробою, и следовательно максимальным напряжением, которое можно приложить к определенной толщине пленки без пробоя.
Конденсаторы керамические
Этот вид конденсаторов изготавливают в виде одной пластины или пачки пластин из специального керамического материала. Металлические электроды напыляют на пластины и соединяют с выводами конденсатора. Используемые керамические материалы могут иметь очень разные свойства.
Разнообразие включает в себя, прежде всего, широкий диапазон значений относительной электрической проницаемости (до десятков тысяч) и такая величина имеется только у керамических материалов.
Столь высокое значение проницаемости позволяет производить керамические конденсаторы (многослойные) небольших размеров, емкость которых может конкурировать с емкостью электролитических конденсаторов, и при этом работающих с любой поляризацией и характеризующихся меньшими утечками.
Керамические материалы характеризуются сложной и нелинейной зависимостью параметров от температуры, частоты, напряжения. В виду малого размера корпуса — данный вид конденсаторов имеет особую .
Конденсаторы с воздушным диэлектриком
Здесь диэлектриком является воздух. Такие конденсаторы отлично работают на высоких частотах, и часто выполняются как конденсаторы переменной емкости (для настройки).
По другой версии (как известно правдоподобность исторических фактов очень частот достаточно сложно доказать) Мушенбрук специально пытался «зарядить» воду в банке. В то время ученые и исследователи еще считали, что электричество – это некая жидкость, которая находится в любом заряженном теле или предмете. Так вот, ученый специально опустил электрод электрической машины в воду, а затем взяв одной рукой банку, а другой случайно прикоснувшись к электроду он опять таки ощутил мощнейший удар током . А поскольку опыт проводился в городе Лейдене, то эту банку – прототип конденсатора, стали называть Лейденской банкой.
Есть и еще одна версия происшедшего события. Примерно в то же время – в 1745 году настоятель собора в Померании – немецкий священнослужитель Эвальд Юген фон Клейст пытался провести научный опыт с целью «зарядить» святую воду электричеством и сделать ее тем самым еще более полезной. Он также использовал электрическую машину, которые в то время были достаточно популярными. Правда, он не опускал в банку сам электрод, а использовал в качестве проводника металлический гвоздь. Случайно дотронувшись потом до гвоздя от также ощутил всю силу электричества.
В таком виде конденсатор просуществовал следующие 200 лет . Ученые и исследователи его немного доработали – банку изнутри и снаружи покрыли металлом, а воду убрали, и использовали ее для различных опытов в области изучения электричества.
Кстати слово «емкость», которое сейчас используется для обозначения номинала современных конденсаторов – это дань прошлому. Ведь изначально этот элемент был стеклянным сосудом (банкой), который имел некий объем или емкость. Кстати, Лейденские банки были разных объемов и чем больше, тем больше по площади электроды покрывали их изнутри и снаружи. , как известно, даже из школьного курса физики – чем больше по площади электроды конденсатора, тем больше его емкость.
После того, как было установлено разделение тел на проводники и непроводники, а опыты с электростатическими машинами получили широчайшее распространение, совершенно естественной была попытка «накопить» электрические заряды в каком-то стеклянном сосуде, который мог их сохранить. Среди многих физиков, занявшихся подобными экспериментами, наибольшую известность получил голландский профессор из г. Лейдена Мусхенбрук (Мушенбрек) (1692—1761 гг.).
Зная, что стекло не проводит электричества, он (в 1745 г.) взял стеклянную банку (колбу), наполненную водой, опустил в нее медную проволоку, висевшую на кондукторе электрической машины, и, взяв банку в правую руку, попросил своего помощника вращать шар машины. При этом он правильно предположил, что заряды, поступавшие с кондуктора, будут накапливаться в стеклянной банке.
После того, как по его мнению, в банке накопилось достаточное количество зарядов, он решил левой рукой отсоединить медную проволоку. При этом он ощутил сильный удар, ему показалось, что «пришел конец». В письме Реомюру в Париж (в 1746 г.) он писал, что этот «новый и страшный опыт советую самим никак не повторять» и что «даже ради короны Франции он не согласится подвергнуться столь ужасному сотрясению».
Так была изобретена лейденская банка (по имени г. Лейдена), а вскоре и первый простейший конденсатор, одно из распространеннейших электротехнических устройств.
Опыт Мусхенбрука произвел подлинную сенсацию не только среди физиков, но и многих любителей, интересовавшихся электрическими опытами.
Независимо от Мусхенбрука в том же 1745 г. к созданию лейденской банки пришел и немецкий ученый Э.Г. Клейст. Опыты с лейденской банкой стали производить физики разных стран, а в 1746—1747 гг. первые теории лейденской банки разработали знаменитый американский ученый Б. Франклин и хранитель физического кабинета англичанин В. Уатсон. Небезынтересно отметить, что Уатсон стремился определить скорость распространения электричества, «заставив» его «пробежать» 12 000 футов.
Одним из важнейших последствий изобретения лейденской банки явилось установление влияния электрических разрядов на организм человека, что привело к зарождению электромедицины.
Опыт Мусхенбрука был повторен в присутствии французского короля аббатом Нолле. Он образовал цепь из 180 гвардейцев взявшихся за руки, причем первый держал банку в руке, а последний прикасался к проволоке, извлекая искру. «Удар почувствовался всеми в один момент; было курьезно видеть разнообразие жестов и слышать мгновенный вскрик десятков людей». От этой цепи солдат и произошел термин «электрическая цепь».
Постепенно конструкция лейденской банки совершенствовалась: воду заменили дробью, а затем наружная поверхность покрывалась тонкими свинцовыми пластинами; позднее внутреннюю и наружную поверхности стали покрывать оловянной фольгой, и банка приобрела современный вид.
При проведении исследований с банкой было установлено (в 1746г. англичанином Б. Вильсоном), что количество электричества, собираемое в банке, пропорционально размеру обкладок и обратно пропорционально толщине изоляционного стоя. В 70-х гг. XVIII в. металлические пластины стали разделять не стеклом, а воздушным промежутком — так, появился простейший конденсатор.
по материалам.
В повседневной жизни каждый человек пользуется преобразователями напряжения, адаптерами и блоками питания. Но, мало кто задумывается, что главную функцию в перечисленных устройствах выполняют конденсаторы. Его в народе еще называют «электролитами». Их главной особенностью являются небольшие габариты и способность накапливать заряд до уровня своей емкости.
В области радиотехники и электрики конденсатором электролитическим называют элемент с оболочкой диэлектрика, сделанной из оксида металла, называемым анодом, и внутренней емкостью для накопления заряда, называемой катодом. За счет такого свойства они имеют широкое применение в электротехнических приборах и радиоустройствах. Конденсаторы присутствуют в схемах радиоприемников, телевизоров, стиральных машин, кондиционеров, компьютерной техники и во многих других приборах.
История появления и развития
В 1875 году ученый из Франции Eugène Adrien Ducretet открыл электрохимический процесс в некоторых металлах. Образцами исследования стали тантал, ниобий, цинк, титан, кадмий, алюминий, сурьма и другие. Указанные образцы употреблялись в виде анода (положительного полюса средства питания). Под действием электрического поля на их поверхностями появлялся слой оксида, имеющий вентильные характеристики.
В 1896 году ученый Карол Поллак направил в бюро по выдаче патентов заявку на придумывание конденсатора. Он доказал собственным элементом, что электрохимические процессы должны обладать определенной полярностью на границе металла с диэлектриком для формирования оксидного образования. Несоблюдение такой полярности приводит к диэлектрическим потерям и короткому замыканию.
В России длительное время считалось изготовление электролитических конденсаторов экономически не выгодным. Хотя в научных изданиях было много доводов, какие можно применить технологии для наладки производства. Первые серьезные наработки в вопросе выпуска электролитических конденсаторов появились в нашем государстве в 1931 году. Их емкость была заполнена жидким электролитом. Сегодня производство данных элементов поставлено на широкий поток. Изготовлением электролитических конденсаторов занимаются многие фирмы с мировым именем.
Варианты конденсаторов по применению
Как известно из школьной программы физики, конденсаторы – это полярные приспособления. Они начинают функционировать при направлении тока в одном направлении. Поэтому на практике их включают в схемы с цепями неизменного или пульсирующего напряжения.
Применение в цепях неизменного напряжения
Свойства конденсатора такой конструкции используют:
- для накопления электрической энергии в импульсных генераторах, импульсных источниках света, а также для намагничивания магнитотвердых элементов в процессе физических опытов;
- для поднятия тока до определенной отметки в сварочных агрегатах, рентгеновских установках и приборах для копирования;
- для точной работы схем аналоговой памяти или аналоговой развертки;
- для образования инструмента питания в электронных приборах и электрических приводах.
В цепях неизменного напряжения с пульсирующим наложением
Характеристики конденсаторов в цепях постоянного напряжения с пульсирующим наложением применяют:
- для создания полосовых фильтрующих участков совместно с резисторами и катушками индуктивности;
- для шунтирования элементов схемы электронного типа по меняющемуся току;
- для соединения участков цепи по переменному току с элементами, функционирующими на постоянной составляющей;
- для генерации пилообразного и прямоугольного напряжения в схемах релаксационного типа генератора;
- для выпрямления напряжения в выпрямителях.
Назначение в схемах изменяемого напряжения
Для схем переменного тока производителями конденсаторов созданы элементы, имеющие неполярную емкость. В своей конструкции они имеют дополнительные элементы и увеличенные габариты. Они бывают разной ёмкости, наполненной концентрированными щелочными веществами и кислотами.
Они применяются:
- Для подъема качества электрической энергии и увеличения коэффициента мощности. Например, алюминиевые электролитические конденсаторы снижают уровень реактивной составляющей, что повышает коэффициент мощности до 0,999;
- В инверторных схемах и устройствах с выпрямителями на тиристорах для уменьшения влияния магнитных полей;
- Для улучшения пусковой способности двигателя асинхронного типа. Практически все пусковые схемы однофазных электродвигателей содержат конденсаторы.
По способу заполнения переменный конденсатор делится на виды:
- с жидкостным диэлектриком;
- с сухим наполнением;
- с оксидными полупроводниковыми параметрами конденсаторов;
- оксидно-металлического исполнения.
Анод электролитических конденсаторов изготавливается из фольги алюминия, ниобия или тантала. Конденсатор с переменной емкостью оксидно-полупроводникового вида имеет катод в виде шара полупроводника, нанесенного на оксидный слой.
Конструкция конденсаторов
Разного типа и размеров конденсаторы сделаны из двух элементов – это обкладки и емкость (расстояние между обложками), заполненное диэлектрическим веществом. Емкость считается по формуле:
C = ee0S/d, где:
- S – значение площади обкладки;
- d – значение расстояния между пластинками;
- e0 –электрическая составляющая, устанавливающая напряженность электрического поля вакуумного пространства;
- е – диэлектрическая проницаемость.
Особенность электролитических конденсаторов заключается в том, что они содержат слой электролитического вещества между двумя обложками из фольги, где одна из них покрыта пленкой полупроводникового оксида. Такие электролиты имеют внутри обкладки, сложены вместе с разделяющим бумажным слоем, пропитанным электролитом. От ее толщины зависит емкость конденсатора. Верхний шар покрыт также разделительным бумажным слоем. Все в комплекте свернуто «в трубочку» и находится в металлическом корпусе.
По краям фольги припаяны металлические пластинки в виде контактов. Они предназначены для соединения с другими элементами схемы. Причем вывод с положительным потенциалом покрыт оксидным шаром. Функцию катода выполняет слой электролита, соединенный со второй обкладкой.
С помощью электрохимической коррозии поверхности обкладки (рифление) в процессе изготовления увеличивают площадь обкладки. С помощью такой технологии создаются конденсаторы большой емкости.
Обычно рассматриваемый элемент безаварийно функционирует при нормальной температуре и неискаженном напряжении. Например, при увеличении напряжения выше нормы происходит образование нового слоя оксидов, сопровождаемое выделением тепла и газообразованием. В результате давление в корпусе резко возрастает, и его прочность не в силах справиться с такой ёмкостью. Это может привести к взрыву и разрушению других элементов цепи.
Многие фирмы изготавливают конденсаторы с защитной мембраной. Она разламывается под действием образования газов и блокирует взрыв. Маркировка таких конденсаторов заключается в нанесении насечки в виде буквы «Т», «Y» или знака «+».
Дешифрование цифр и букв на поверхности изделия
Для правильной расшифровки обозначений на корпусе разных элементов требуется знать единицы измерения. Для конденсаторов следует запомнить, что емкость измеряется в фарадах (Ф). Она имеет такие соотношения:
- 1мкФ (микрофарад)F=10¯⁶F;
- 1мФ (миллифарад)F=10¯³F;
- n(нанофарад)F=10¯⁹;
- p(пикофарад)F=10¯¹²F.
Маркировка конденсаторов больших параметров указывается прямо на корпусе элемента. В некоторых конструкциях надписи имеют разные обозначения. В таких случаях лучше ориентироваться по значениям, указанным выше.
На некоторых модификациях маркировка нанесена заглавными буквами. Например, вместо 1мФ стоит МF. Также можно встретить, что маркировка содержит набор букв fd, что означает фарад. Кроме этого в шифре содержится информация, допускающая отклонение от номинала в процентном соотношении. Например, если маркировка содержит 6000uF + 50%-70%, то следует понимать, что это отличается от заданного номинала на 50%-70%. То есть можно применять конденсатор на 9000uF или на 1800uF. Если проценты отсутствуют, то требуется найти букву. Обычно она выглядит отдельным от емкости обозначением. Каждая буква допускает отклонение от номинала.
После определения номинала и разрешенной погрешности нужно перейти к определению значения напряжения. Оно обозначается цифрами совместно с буквами, такими как V, VDC, WV или VDCW. Обозначение WV означает рабочее напряжение. Цифры указывают на максимальные разрешенные допуски.
Важно знать! Если на поверхности нет значения, указывающего номинал напряжения, то такие конденсаторы можно применять в низковольтных цепях схемы. Также нужно запомнить, что конденсаторы, работающие на переменном напряжении, нельзя использовать в схемах постоянного напряжения, и наоборот.
Для определения полярности выводов на корпусе нанесены знаки «+» и «–». Если их нет, то конденсатор подключается в цепь любой стороной.
Цифровая расшифровка
Цифры на корпусе имеют собственную расшифровку. Когда указаны только две цифры и одна буква, то сочетание цифр указывают на емкость. Все остальные кодировки нужно понимать с нестандартным подходом. Они в основном зависят от конструкции элемента.
Третья цифра является множителем нуля. Поэтому расшифровка выполняется по конечной цифре. Если она находится в пределе от 0 и до 6, то к первым цифрам прибавляются нули в числе указанной третьей цифры. Например, 373 означает 37000.
Когда последняя цифра выходит за предел 0-6, например, стоит 8, то первая цифра должна умножиться на 0,01. Таким образом, шифр 378 обозначает 0,37. Когда в конце стоит цифра 9, то сочетание первых двух цифр умножается на 0,1. Обозначение 379 нужно читать как 3,7.
Когда из сочетания цифр с емкостью все понятно, то нужно знать единицу измерения.
Важно помнить! Маленькие конденсаторы измеряются в пикофарадах, а большие элементы – в микрофарадах.
Буквенная кодировка
Букву R в первых двух символах следует понимать под обозначением запятой, применяемой в обозначении десятичной дроби. Например, шифр 4R1 читается как 4,1 пФ. Если в маркировке содержаться буквы p, n или u, то их тоже следует менять на запятую. Например, n61 означает 0,61 нано фарад.
Смешанная маркировка
В такой код на корпусе конденсатора входят буквы и цифры, чередуя друг друга. Обычно это наносится по схеме «буква – цифра – буква». Первая буква указывает на рабочую температуру надежного состояния конденсатора. Вторая цифра – это предел допустимой температуры.
Третья буква означает изменение емкости в пределе от минимальной температуры и до максимальной допустимой температуры. Если стоит буква «А», то это точный показатель. Его погрешность равна 0,1%. При наличии буквы «V» показатель емкости колеблется в пределе 22%-82%. Очень часто встречаются конденсаторы с буквой «R», что означает 15% отклонения емкости от изменения температуры.
Изменение параметров в процессе эксплуатации
Чтобы понимать, какие хорошие конденсаторы, а какие нет, нужно знать общие характеристики, и помнить, как параметры зависят друг от друга. Например, способность в рабочем режиме кпе выделять газы требует при монтаже схемы создавать запас допустимого напряжения в пределе 0,5-0,6 его значения. Особенно это важно, когда схема функционирует в среде с повышенным температурным режимом.
С использованием конденсатора в цепях меняющегося тока обязательно учитывается зависимость от рабочей частоты. Обычно рабочая частота меняющегося напряжения не должна отклоняться от 50 Гц. Для более высоких частот нужно включать конденсаторы с более низким допустимым напряжением. В обратном случае будет появляться сильный нагрев диэлектрика, что приведет к разрыву корпуса.
Элементы с большой емкостью и малыми значениями токов утечки способны длительно сохранять заряд. Поэтому важно для безопасности параллельно подключать резистивный элемент с сопротивлением не меньше 1 Мом и мощностью 0,5 Вт.
Электрические конденсаторы служат для накопления электрической энергии. Без них не будет функционировать ни одна схема радио,- и телевизионного приемника. Появление микросхем изменила функцию конденсаторов. Многие из них изготавливаются в интегрированном виде.
Видео
Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения своей ёмкости:
