Конденсатор в цепи переменного и постоянного тока: что это такое, виды

Что такое конденсатор?

Прибор, который накапливает электроэнергию в виде электрических зарядов, называется конденсатором.

Количество электричества или электрический заряд в физике измеряют в кулонах (Кл). Электрическую ёмкость считают в фарадах (Ф).

Уединенный проводник электроёмкостью в 1 фараду — металлический шар с радиусом, равным 13 радиусам Солнца. Поэтому конденсатор включает в себя минимум 2 проводника, которые разделяет диэлектрик. В простых конструкциях прибора — бумага.

Работа конденсатора в цепи постоянного тока осуществляется при включении и выключении питания.Только в переходные моменты меняется потенциал на обкладках.

Конденсатор в цепи переменного тока перезаряжается с частотой, равной частоте напряжения источника питания. В результате непрерывных зарядов и разрядов ток проходит через элемент. Выше частота — быстрее перезаряжается прибор.

Сопротивление цепи с конденсатором зависит от частоты тока. При нулевой частоте постоянного тока величина сопротивления стремится к бесконечности. С увеличением частоты переменного тока сопротивление уменьшается.

Что такое электроемкость проводников

Если у нас есть два проводника, изолированных друг от друга, которым мы сообщаем некоторые заряды (обозначим их соответственно q1 и q2), то между ними возникнет определенная разность потенциалов. Ее величина будет зависеть от формы проводников, а также от исходных величин зарядов. Обозначим такую разность Δφ. Если мы говорим о разности, возникающей в электрическом поле между двумя точками, то ее обычно обозначают U.

В рамках темы данной статьи нам больше всего интересна такая разность потенциалов между проводниками, когда их заряды противоположны по знаку, но равны друг другу по модулю. В таком случае мы можем ввести новое понятие – электрическая емкость (электроемкость).

Определение 1

Электрической емкостью системы, состоящей из двух проводников, называется отношение заряда одного проводника (q) к разности потенциалов между этими двумя проводниками.

В виде формулы это записывается так: C=q∆φ=qU.

Для измерения электрической емкости применяется единица, называемая фарад. Она обозначается буквой Ф.

1Φ=1 Кл1 В.

Конфигурации и размеры проводников, а также свойства диэлектрика определяют величину электроемкости заданной системы. Наибольший интерес для нас представляют проводники особой формы, называемые конденсаторами.

Определение 2

Конденсатор – это проводник, конфигурация которого позволяет локализовать (сосредотачивать) электрическое поле в одной выделенной части пространства. Проводники, составляющие конденсатор, называются обкладками.

Определение 3

Если мы возьмем две плоские пластины из проводящего материала, расположим их на небольшом расстоянии друг от друга и проложим между ними слой диэлектрика, то мы получим простейший конденсатор, называемый плоским. При его работе электрическое поле будет располагаться преимущественно в промежутке между пластинами, но небольшая часть этого поля будет рассеиваться вокруг них.

Определение 4

Часть электрического поля вблизи конденсатора называется полем рассеяния.

Иногда в задачах мы можем не учитывать его и работать только с той частью электрического поля, которое расположено между обкладками. Однако пренебрегать полем рассеяния допустимо далеко не всегда, поскольку это может привести к ошибочным расчетам из-за нарушения потенциального характера электрического поля.

Рисунок 1.6.1. Электрическое поле в плоском конденсаторе.

Рисунок 1.6.2. Электрическое поле конденсатора без учета поля рассеяния, не обладающее потенциальностью.

Модуль напряженности электрического поля, которое создает каждая обкладка в плоском конденсаторе, выражается соотношением следующего вида:

E1=σ2ε0.

Исходя из принципа суперпозиции, можно утверждать, что напряженность E→ поля, которое создают обе пластины конденсатора, будет равна сумме напряженностей E+→ и E-→ полей каждой пластины, то есть E→=E+→+E-→.

Векторы напряженностей обеих пластин во внутренней части конденсатора будут параллельны друг другу. Значит, мы можем выразить модуль напряженности их суммарного поля в виде формулы E=2E1=σε0.

Общая концепция

Конденсатор состоит из двух проводящих обкладок и диэлектрика между ними. И все, больше ничего. С виду простая радиодеталь, но работает на высоких и низких частотах по-разному.

Обозначается на схеме двумя параллельными линиями.

Принцип работы

Эта радиодеталь хорошо демонстрирует явление электростатической индукции. Разберем на примере.

Если подключить к конденсатору постоянный источник тока, то в начальный момент времени ток начнет скапливаться на обкладках конденсатора. Это происходит за счет электростатической индукции. Сопротивление практически равно нулю.

Электрическое поле за счет электростатической индукции притягивает разноименные заряды на две противоположные обкладки. Это свойство материи называется емкостью. Емкость есть у всех материалов. И даже у диэлектриков, но у проводников она значительно больше. Поэтому обкладки конденсатора выполнены из проводника.

Чем больше емкость — тем больше может накопиться зарядов на обкладках конденсатора, т.е. электрического тока.

Основное свойство конденсатора — это емкость. Она зависит от площади пластин, расстояния между ними и материала диэлектрика, которым заполняют пространство между обкладками.

По мере накопления зарядов, поле начинает ослабевать, а сопротивление нарастает. Почему так происходит? Места на обкладках все меньше, одноименные заряды на них действуют друг на друга, а напряжение на конденсаторе становится равным источнику тока. Такое сопротивление называется реактивным, или емкостным. Оно зависит от частоты тока, емкости радиодеталей и проводов.

Когда на обкладках не останется места для электрического тока, то и ток в цепи прекратится. Электростатическая индукция пропадает. Теперь остается электрическое поле, которое держит заряды на своих обкладках и не отпускает их. А электрическому току некуда деваться. Напряжение на конденсаторе станет равным ЭДС (напряжению) источнику тока.

А что будет, если повысить ЭДС (напряжение) источника тока? Электрическое поле начнет все сильнее давить на диэлектрик, поскольку места на обкладках уже нет. Но если напряжение на конденсаторе превысит допустимые знания, то диэлектрик пробьет. И конденсатор станет проводником, заряды освободятся, и ток пойдет по цепи. Как тогда использовать конденсатор для высоких напряжений? Можно увеличить размер диэлектрика и расстояние между обкладками, но при этом уменьшается емкость детали.

Между обкладками находится диэлектрик, который препятствует прохождению постоянного тока. Это именно барьер для постоянного тока. Потому, что постоянный ток создает и постоянное напряжение. А постоянное напряжение может создавать электростатическую индукцию только при замыкании цепи, то есть, когда конденсатор заряжается.

Так конденсатор может сохранять энергию до тех пор, пока к нему не подключится потребитель.

Конденсатор и цепь постоянного тока

Добавим в схему лампочку. Она загорится только во время зарядки.

Еще одна важная особенность — когда происходит процесс зарядки током, то напряжение отстает от тока. Напряжение как бы догоняет ток, поскольку сопротивление нарастает плавно, по мере зарядки. Электрические зарядам нужно время, чтобы переместиться к обкладкам конденсатора. Так называется время зарядки. Оно зависит от емкости, частоты и напряжения.

По мере зарядки, лампочка начинает тусклее светиться.

Лампочка затухает при полной зарядке.

Постоянный электрический ток не проходит через конденсатор только после его зарядки.

Цепь с переменным током

А что если поменять полярность на источнике тока? Тогда конденсатор начнет разряжаться, и снова заряжаться, поскольку меняется полярность источника.

Электростатическая индукция возникает постоянно, если электрический ток переменный. Каждый раз, когда ток начинает менять свое направление, начинается процесс зарядки и разрядки.

Поэтому, конденсатор пропускает переменный электрический ток.

Чем выше частота — тем меньше реактивное (емкостное) сопротивление конденсатора.

Поляризация диэлектрика

Такое явление называется накоплением электрических зарядов. А конденсатор называют накопителем электрического поля, так как вокруг каждого заряд действует электрическое поле, под действием которого диэлектрик поляризуется, то есть молекулы его становятся полярными – имеют четко выраженные положительный и отрицательный полюса. Полюса молекул непроводящего вещества ориентированы вдоль линий электрического поля, созданного зарядами, расположенными на обкладках. Причем отрицательный полюс молекулы направлен к положительной пластинке, а положительный – к отрицательной.

Способность накапливать электрические заряды характеризуется емкостью конденсатора, отсюда происходит обозначение его на чертежах электрических схем C ( англ. capacitor – накопитель). Аналогично емкости сосуда – чем больше емкость сосуда, тем больше в нем помещается жидкости.

Емкость конденсатора относится к главному параметру и измеряется в фарадах [Ф], названная в честь выдающегося английского физика Майкла Фарадея.

Следует обратить внимание: правильно говорить не «один фарад», а «одна фарада».

Емкостью в одну фараду обладает конденсатор, который накапливает заряд, величиной в один кулон, если приложит к пластинкам напряжение один вольт.

Ранее часто можно было услышать такое утверждение, что емкость в 1 Ф – это очень много – почти емкость нашей планеты. Однако сейчас, с появлением суперконденсаторов так больше не говорят, поскольку емкость последних достигает сотни фарад. Тем не менее в большинстве электронных схем используют накопители меньшей C – пикофарады, нанофарады и микрофарады.

Расчет емкости конденсатора

Расчет емкости конденсаторов довольно прост. Она определяется тремя параметрами: площадью пластины S, расстоянием между пластинами d и типом диэлектрика ε:

Физический смысл данной формулы следующий: чем больше площадь обкладок, тем больше зарядов на ней может расположиться (накопиться); чем больше расстояние между пластинами и соответственно между зарядами, тем меньшая сила их взаимного притяжения – тем слабее они удерживаются на обкладках, поэтому зарядам легче покинуть обкладки, что приводит к снижению их числа, а следовательно и уменьшению емкости накопителя электрического поля.

Диэлектрическая проницаемость ε показывает, во сколько раз заряд конденсатора с данным диэлектриком превосходит заряд аналогичного накопителя, если между его пластинками той же площади и находящихся на таком же расстоянии вакуум. Для воздуха ε равна единице, то есть практически ничем не отличается от вакуума. Сухая бумага обладает диэлектрической проницаемостью в два раза больше воздуха; фарфор – в четыре с половиной раза ε = 4,5. Конденсаторная керамика имеет ε = 10..200 единиц.

Отсюда вытекает важный вывод: чтобы получить максимальную емкость при сохранении прежних геометрических размеров, следует применять диэлектрик с максимальной диэлектрической проницаемостью. Поэтому в широко распространённых плоских конденсаторах используют керамику.

Подстроечные конденсаторы

Подстроечные конденсаторы используются в узлах окончательной настройки радиоэлектронной аппаратуры. Чаще всего они встречаются в различного рода колебательных контурах или в устройствах, связанных с формированием частоты; в измерительных приборах. Также можно найти их в щупах цифровых осциллографов. Там они используются для устранения собственной емкости измерительных щупов, что позволяет максимально исключить погрешности при выполнении измерений высокочастотных сигналов.

Электролитические конденсаторы

Главным отличием и преимуществом электролитических конденсаторов является большая емкость при малых габаритах. Благодаря такому свойству они широко используются в качестве электрических фильтров для сглаживания выпрямленного напряжения, что делает их неотъемлемой частью любого блока питания.

Конструктивно электролитический конденсатор из алюминиевой фольги, которая служит одной из обкладок. Фольга смотана в рулон в виде цилиндра, что позволяет увеличить активную площадь обкладки. На фольгу наносится оксидный слой, который является диэлектриком. Второй обкладкой служит электролит или слой полупроводника. По этой причине электролитические конденсаторы являются полярными (значительно реже применяются и неполярные), то есть необходимо соблюдать полярность при включении их в цепь. В противном случае он выйдет из строя, чаще всего – взорвется. Поэтому следует быть крайне внимательным при включении такого радиоэлектронного элемента в электрическую цепь, что часто забывают делать при замене данного компонента.

Отрицательный вывод нового электролитического конденсатора короче положительного, а на корпусе рядом с ним наносится соответствующий знак – минус. В советской маркировке напротив, маркируется положительный вывод, со стороны которого на корпус наносится знак «+».

Также на корпусах электролитических конденсаторов в обязательном порядке присутствуют значения трех основных параметров: номинальное значение емкости, максимальное допустимое напряжение и максимальная рабочая температура.

Если с емкостью и допустимой температурой все понятно, то особое внимание следует направить на напряжение.

На электролитический конденсатор нельзя подавать напряжение, величина которого больше, чем указано на корпусе. В противном случае он взорвется. Большинство разработчиков электронной аппаратуры советуют не превышать напряжение на пластинках больше 80 % от допустимого значения.

Обозначение конденсаторов в схемах

На чертежах электрических схем обозначение конденсаторов строго стандартизировано. Однако данный радиоэлектронный элемент можно всегда узнать в схеме по двум параллельным, рядом расположенным вертикальным черточкам. Две вертикальные лини обозначают две обкладки. Эти черточки подписываются латинской буквой C, рядом с которой указывается порядковый номер элемента в схеме, а ниже или сбоку указывается значение емкости в микрофарадах или пикофарадах.

Маркировка конденсаторов

По мере развития электроники развивается и элементная база. Поскольку многие страны производят собственные радиоэлектронные элементы, то и маркировка их отличается от маркировки радиоэлектронных элементов других стран. Поэтому на первых этапах промышленного производства электроники применялось много разнообразных типов маркировки, однако стремление к унификации привело к более-менее ее упорядочению. Это позволило привести и маркировку конденсаторов к общим правилам. А преимущество здесь очевидное – радиоэлектронному элементу, произведенному в одной стране теперь можно довольно просто подобрать аналог производства другой страны. Идеально было бы свести все типы обозначений и маркировки привести к единому типу, что практически полностью уже выполнено.

Однако до сих пор широкий оборот имеют советские конденсаторы, отличающиеся небольшим, но разнообразием маркировки. В советской маркировке было задействовано все – цифры, буквы и цвета. Причем на корпуса элементов наносились как цифры с буквами, так и цвета, цифры и буквы. Цифры обозначают значение, буквы – единицы измерения.

Более распространенный тип маркировки состоит из цифр, которые обозначают емкость в пикофарадах, не путать с фарадами! Всегда нужно помнить, что в отличие от резисторов, маркировка которых выполняется в омах, базовой величиной размерности независимо от способа маркировки являются пикофарады (если цифры отделяются запятой, – то микрофарады). В общем, отсчет емкости начинается с пикофарад.

Также, ранее применялась исключительно цветовая маркировка – сплошной цвет с цветной точкой. Определить параметры можно только, воспользовавшись справочником.

Рассмотренные выше типы маркировки постепенно выходят из обихода, однако о них всегда помнят специалисты, выполняющие ремонт советской аппаратуры, в которой радиоэлементы имеют «старое» обозначение.

Наиболее удачным и совершенным способом обозначения электронных элементов является цифровое кодирование. Цифровое кодирование конденсаторов, как и резисторов, предполагает использование всего трех цифр. Такой подход позволяет реализовать множество комбинаций. Две цифры, расположенные слева обозначают мантису, то есть значащее число, а последняя – третья цифра показывает, сколько нулей нужно прибавить к двум предыдущим цифрам. Например, если на корпусе накопителя указано 153, то емкость его равна 15×103 = 15000 пФ = 15 нФ = 0,015 мкФ.

Помимо емкости накопители характеризуются еще рядом основных параметров, которые рассмотрены далее.

Маркировка SMD конденсаторов

Маркировка SMD конденсаторов может наноситься на корпус в виде цифрового кодирования, но в преобладающем большинство – это несколько запутанная шифровка, состоящая из одной или двух букв латинского алфавита. Если букв две – то первая обозначает производителя, что нас интересует в меньшей степени. А вот вторая или единственная буква обозначает мантису, аналогично, как и при цифровом кодировании. Оставшаяся цифра показывает количество нулей после мантисы. Расшифровать цифровое значение буквы можно с помощью таблицы, приведенной ниже.

SMD накопители с аналогичными характеристиками также отличаются размерами. Ряд стандартных размеров приведен в таблице и на рисунке, приведенных ниже. Особенно важно учитывать размеры радиоэлектронных элементов при проектировании печатных плат.

Маркировка электролитических SMD конденсаторов практически ничем не отличается от выводных аналогов. Отрицательная контактная площадка обозначается черной меткой на плоской стороне корпуса со стороны соответствующей контактной площадки. Также указываются допустимое напряжение в вольтах и емкость в микрофарадах.

Довольно часто встречаются корпуса, на которых отсутствуют какие-либо обозначения. Здесь может выручить только измеритель емкости.

Последовательное соединение конденсаторов

Последовательно соединение конденсаторов позволяет подать на их обкладки большее напряжение, чем на отдельный накопитель. Напряжение на пластинках распределяется в зависимости от емкости элемента.

Если два накопителя обладают одинаковой емкостью, то подведенное напряжение распределяется поровну между ними. Однако суммарная емкость будет в два раза меньше отдельного накопителя.

В общем случае, следует помнить такое правило: при последовательном соединении конденсаторов вместе они способны выдержать большее напряжение, но за это приходится расплачиваться снижением емкости.

Параллельное соединение конденсаторов

Такой способ соединения наиболее распространен в практическом применении, поскольку не всегда хватает емкости одного накопителя особенно в электрических фильтрах качественных блоков питания. Параллельное соединение конденсаторов реализует суммирование емкостей отдельных накопителей. Это довольно просто запомнить, опираясь на приведенную выше формулу, из которой видно, что с увеличением площади пластин повышается емкость.

Поэтому при параллельном соединении конденсаторов происходит как бы увеличение площади обкладок, благодаря чему они способны накопить большее число электрических зарядов.

Основные параметры и номиналы конденсаторов рассмотрены здесь.

Устройство конденсаторов

Конструкции современных конденсаторов отличаются разнообразием, но можно выделить несколько типичных вариантов:

Пакетная конструкция

Используется в стеклоэмалевых, керамических и стеклокерамических конденсаторах. Пакеты образованы чередующимися слоями обкладок и диэлектрика. Обкладки могут изготавливаться из фольги, а могут представлять собой слои на диэлектрических пластинах – напыленный или нанесенный вжиганием.

Каждый пакетный конденсатор имеет верхнюю и нижнюю обкладки, имеющие контакты с торцов пакета. Выводы изготавливаются из проволоки или ленточных полосок. Пакет опрессовывается, герметизируется, покрывается защитной эмалью.

Трубчатая конструкция

Такую конструкцию могут иметь высокочастотные конденсаторы. Они представляют собой керамическую трубку с толщиной стенки 0,25 мм. На ее наружную и внутреннюю стороны способом вжигания наносится серебряный проводящий слой. Снаружи деталь обрабатывается изоляционным веществом. Внутреннюю обкладку выводят на наружный слой для присоединения к ней гибкого вывода.

Дисковая конструкция

Эта конструкция, как и трубчатая, применяется при изготовлении высокочастотных конденсаторов.

Диэлектриком в дисковых конденсаторах является керамический диск. На него вжигают серебряные обкладки, к которым подсоединены гибкие выводы.

Литая секционированная конструкция

Применяется в монолитных многослойных керамических конденсаторах, используемых в современной аппаратуре, в том числе с интегральными микросхемами. Деталь, имеющая 2 паза, изготавливается литьем керамики. Пазы заполняют серебряной пастой, которую закрепляют методом вживания. К серебряным вставкам припаивают гибкие выводы.

Рулонная конструкция

Характерна для бумажных пленочных низкочастотных конденсаторов с большой емкостью. Бумажная лента и металлическая фольга сворачиваются в рулон. В металлобумажных конденсаторах на бумажную ленту наносят металлический слой толщиной до 1 мкм.

Виды конденсаторов

Емкостные элементы классифицируют по типу диэлектрика, применяемого в конструкции.

Бумажные и металлобумажные конденсаторы

Элементы используются в цепях с постоянным или слабо пульсирующим напряжением. Простота конструкции оборачивается пониженной на 10-25% стабильностью характеристик и возросшей величиной потерь.

В бумажных конденсаторах обкладки из алюминиевой фольги разделяет бумага. Сборки скручивают и помещают в корпус в форме цилиндра или прямоугольного параллелепипеда.

Приборы работают при температурах -60…+125°C, с номинальным напряжением у низковольтных приборов до 1600 В, высоковольтных — выше 1600 В и ёмкостью до десятков мкФ.

В металлобумажных приборах вместо фольги на диэлектрическую бумагу наносят тонкий слой металла. Это помогает изготовить элементы меньших размеров. При незначительных пробоях возможно самовосстановление диэлектрика. Металлобумажные элементы уступают бумажным по сопротивлению изоляции.

Электролитические конденсаторы

Конструкция изделий напоминает бумажные. Но при изготовлении электролитических элементов бумагу пропитывают оксидами металлов.

В изделиях с электролитом без бумаги оксид наносится на металлический электрод. У оксидов металлов односторонняя проводимость, что делает прибор полярным.

В некоторых моделях электролитических элементов обкладки изготавливают с канавками, которые увеличивают площадь поверхности электрода. Зазоры в пространстве между пластинами устраняют с помощью заливания электролитом. Это улучшает емкостные свойства изделия.

Большая ёмкость электролитических приборов — сотни мкФ, используется в фильтрах, чтобы сглаживать пульсации напряжения.

Алюминиевые электролитические

В приборах этого типа анодная обкладка делается из алюминиевой фольги. Поверхность покрывают оксидом металла — диэлектриком. Катодная обкладка — твердый или жидкий электролит, который подбирается так, чтобы при работе восстанавливался слой оксида на фольге. Самовосстановление диэлектрика продлевает время работы элемента.

Конденсаторы такой конструкции требуют соблюдения полярности. При обратном включении разорвет корпус.

Приборы, внутри которых располагаются встречно-последовательные полярные сборки, используют в 2 направлениях. Ёмкость алюминиевых электролитических элементов достигает нескольких тысяч мкФ.

Танталовые электролитические

Анодный электрод таких приборов изготовляют из пористой структуры, получаемой при нагреве до +2000°C порошка тантала. Материал внешне напоминает губку. Пористость увеличивает площадь поверхности.

С помощью электрохимического окисления на анод наносят слой пентаоксида тантала толщиной до 100 нанометров. Твердый диэлектрик делают из диоксида марганца. Готовую конструкцию прессуют в компаунд — специальную смолу.

Танталовые изделия используют на частотах тока свыше 100 кГц. Ёмкость создается до сотен мкФ, при рабочем напряжении до 75 В.

Полимерные

В конденсаторах используются электролит из твердых полимеров, что дает ряд преимуществ:

• увеличивается срок эксплуатации до 50 тыс. часов;
• сохраняются параметры при нагреве;
• расширяется диапазон допустимых пульсаций тока;
• сопротивление обкладок и выводов не шунтирует ёмкость.

Пленочные

Диэлектрик в этих моделях — пленка из тефлона, полиэстера, фторопласта или полипропилена.

Обкладки — фольга или напыление металлов на пленку. Конструкция используется для создания многослойных сборок с увеличенной площадью поверхности.

Пленочные конденсаторы при миниатюрных размерах обладают ёмкостью в сотни мкФ. В зависимости от размещения слоев и выводов контактов делают аксиальные или радиальные формы изделий.

В некоторых моделях номинальное напряжение 2 кВ и выше.

Неполярные конденсаторы

К неполярным конденсаторам относят конденсаторы, для которых неважна полярность. Такие конденсаторы обладают симметричностью. Обозначение неполярных конденсаторов на электросхемах выглядит вот так.

Обозначение конденсатора на схеме

Конденсаторы переменной емкости

Эти виды конденсаторов имеют воздушный диэлектрик и могут менять свою емкость под действием внешней силы, например, такой как рука человека. Ниже на фото советские типы таких переменных конденсаторов.

Переменные конденсаторы

Современные выглядят чуточку красивее

Переменный конденсатор от подстроечного отличается лишь тем, что переменный конденсатор крутят чаще, чем подстроечный. Подстроечный крутят раз в жизни)

На схемах обозначаются так.

переменный конденсатор обозначение на схеме

Слева -переменный, справа – подстроечный.

Пленочные конденсаторы

Пленочные конденсаторы являются самыми распространенными в большом семействе конденсаторов. Они названы так потому, что вместо диэлектрика здесь используется тонкая пленка, которая может состоять из полиэстера, полипропилена, поликарбоната, тефлона и много еще из чего. Такие конденсаторы идут от номинала 5 пФ и до 100 мкФ. Они могут быть сделаны по принципу бетерброда

А также по принципу рулета

Давайте рассмотрим К73-9 советский пленочный конденсатор.

к73-9 советский конденсатор

Что же у него внутри? Смотрим.

Как и ожидалось, рулончик из фольги с диэлектриком-пленкой

что внутри конденсатора

Керамические конденсаторы

Керамические конденсаторы – это конденсаторы, которые изготавливают из керамики или фарфора, которые покрывают серебром. Берут диск квадратной или круглой формы, напыляют с с двух сторон серебро, выводят выводы и вуаля! Конденсатор готов! То есть и есть самый простой плоский конденсатор, о котором мы говорили выше в этой статье.

Хотите получишь емкость больше? Не вопрос! Складываем диски в бутерброд и увеличиваем емкость

Выглядеть керамические конденсаторы могут вот так:

керамические конденсаторы
керамические каплевидные конденсаторы

SMD конденсаторы

SMD конденсаторы – это керамические конденсаторы, которые построены по принципу бутерброда.

строение SMD конденсатора

Они используются в микроэлектронике, так как обладают крошечными размерами и удобны в плане промышленного производства с помощью роботов, которые автоматически расставляют SMD компоненты на плату.Такой тип конденсаторов вы без труда можете найти на платах своих мобильных телефонов, на материнских платах компьютеров, а также в современных гаджетах.

Полярные конденсаторы

Для полярных конденсаторов очень важно не путать выводы местами при монтаже. Плюсовая ножка должны подключаться к плюсу на схеме, а минусовая – к минусу. Обозначается полярные конденсаторы также, как и их собратья. Единственное отличие – это указание полярности такого конденсатора. Выглядеть на схемах они могут вот так.

обозначение полярных конденсаторов на схеме

Электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы используется в электронике и электротехнике, где требуются большие значения емкости. Также повелось название “электролиты”.

электролитические конденсаторы

Строение электролитических конденсаторов очень похоже на пленочные конденсаторы, которые также собраны по принципу рулета, но с одной только разницей. Вместо диэлектрика здесь используется оксид алюминия.

строение электролитического конденсатора

Давайте разберем один из таких электролитических конденсаторов во благо науки.

Снимаем его корпус и видим тот самый рулетик

Разматываем “рулетик” и видим, что между двумя обкладками металлической фольги у нас находится бумага, пропитанная каким-то раствором.

что внутри электролитического конденсатора

Некоторые ошибочно полагают, что бумага – это и есть тот самый диэлектрик, хотя это в корне неверно. Как она может быть диэлектриком, если она смочена в растворе, который проводит электрический ток?

На самом же деле диэлектриком в данном случае является тончайший слой оксида алюминия, который производится электрохимическим способом еще на производстве. Все это выглядит приблизительно вот так:

схема строения электролитического конденсатора

Слой оксида алюминия настолько тонкий, что можно изготавливать конденсаторы бешеной емкости с малыми габаритами. Вы ведь не забыли формулу емкости для плоского конденсатора?

где d – это и есть тот самый слой оксида алюминия. Чем он тоньше, тем больше емкость.

На полярных конденсаторах часто можно увидеть вот такой значок-стрелку, которая указывает на минусовый вывод конденсатора.

обозначение минусового вывода электролитического конденсатора

То есть  в электрических схемах с постоянным током вы должны обязательно соблюдать правило: плюс на плюс, а минус на минус. Если перепутаете, то конденсатор может бахнуть.

Танталовые конденсаторы

Танталовые конденсаторы доступны как в мокром так и в сухом исполнении. Хотя, в сухом исполнении они намного более распространены. Здесь в качестве диэлектрика используется оксид тантала. Оксид тантала обладает более лучшими свойствами, по сравнению с оксидом алюминия. Если самый большой минус электролитических конденсаторов – это их большой ток утечки, то танталовые конденсаторы лишены такого недостатка. Минус танталовых конденсаторов в том, что они рассчитаны на более низкое напряжение, чем их собраться – электролиты. Танталовые конденсаторы также полярные, как и электролитические конденсаторы.

Выглядеть танталовые конденсаторы могут вот так

танталовые конденсаторы

ну или так

танталовые конденсаторы капли

Ионисторы

Есть также  особый класс конденсаторов – ионисторы. Иногда их еще называют суперконденсаторами или золотыми конденсаторами. Нет, не потому, что  там есть золото. Сам принцип работы ионистора ценее, чем золото.  Для того, чтобы получить максимальную емкость мы должны намазать “сгущенку”(диэлектрик)  тонким-тонким слоем или увеличить площадь блинов (металлических пластин). Так как без конца увеличивать слой блинов очень затратно, разработчики решили уменьшить слой диэлектрика. Так как диэлектрический слой между обкладками ионистора , то есть “слой сгущенки”, составляет 5-10 нанометров, следовательно емкость ионистора достигает впечатляющих значений! Вы только представьте, какой заряд может накопить такой суперконденсатор!

Емкость таких конденсаторов может достигать до десятка фарад. Поверьте, это очень много. Ионисторы выглядят, как обычные таблетки, а  также могут выглядеть как цилиндрические конденсаторы. Для того, чтобы различить их от конденсаторов, достаточно взглянуть на емкость, которая на них указана. Если там единицы Фарад, то это однозначно ионистор!

ионистор


большой ионистор

В настоящее время ионисторы стали очень широко применяться в электронике и электротехнике. Они заменяют маленькие батарейки с малым напряжением, потому что ионистор конструктивно пока что не могут сделать на напряжение более нескольких Вольт. Но можно соединить их последовательно и набрать нужное напряжение. Но удовольствие это не дешевое :-).

Они также очень быстро заряжаются, так как их сопротивление ограничено только их выводами.  А исходя из закона Ома, чем меньше сопротивление проводника, тем большая сила тока течет по нему и следовательно тем быстрее заряжается ионистор. Заряжать и разряжать ионисторы можно почти бесконечно.

Как рассчитать электроемкость конденсатора

Вне пластин векторы напряженности будут направлены в противоположные друг от друга стороны, значит, E будет равно нулю. Если мы обозначим заряд каждой обкладки как q, а ее площадь как S, то соотношение qS даст нам представление о поверхностной плотности. Умножив E на расстояние между обкладками (d), мы получим разность потенциалов между пластинами в однородном электрическом поле. Теперь возьмем оба этих соотношения и выведем из них формулу, по которой может быть рассчитана электрическая емкость конденсатора.

C=q∆φ=σ·SE·d=ε0Sd.

Определение 5

Электрическая емкость плоского конденсатора – величина, обратно пропорциональная расстоянию между обкладками и прямо пропорциональная их площади.

Заполнение пространства между проводниками диэлектрическим материалом может увеличить электроемкость плоского конденсатора в число раз, кратное undefined.

Определение 6

Введем обозначение емкости в виде буквы С и запишем это в виде формулы:

C=εε0Sd.

Данная формула называется формулой электроемкости плоского конденсатора.

Конденсаторы бывают не только плоскими. Возможны и другие конфигурации, также обладающие специфическими свойствами.

Определение 7

Сферическим конденсатором называется система из 2-х концентрических сфер, сделанных из проводящего материала, радиусы которых равны R1 и R2 соответственно.

Определение 8

Цилиндрическим конденсатором называется системы из двух проводников цилиндрической формы, длина которых равна L, а радиусы R1 и R2.

Обозначим проницаемость диэлектрического материала как ε и запишем формулы, по которым можно найти электрическую емкость конденсаторов:

• C=4πε0εR1R2R2-R1(сферический конденсатор),
• C=2πε0εLlnR2R1(цилиндрический конденсатор).

Плоский конденсатор

Определение 2

Плоский конденсатор – это две противоположно заряженные пластины, которые разделены тонким слоем диэлектрика, как показано на рисунке 1.

Формула для расчета электроемкости записывается как

C=εε0Sd, где S является площадью обкладки, d – расстоянием между ними, ε — диэлектрической проницаемостью вещества. Меньшее значение d способствует большему совпадению расчетной емкости конденсатора с реальной.

Рисунок 1

При известной электроемкости конденсатора, заполненного N слоями диэлектрика, толщина слоя с номером i равняется di, вычисление диэлектрической проницаемости этого слоя εi выполняется, исходя из формулы:

C=ε0Sd1ε1+d2ε2+…+dNεN.

Ток утечки конденсатора

Дело все в том, что какой бы ни был диэлектрик, конденсатор все равно рано или поздно разрядится, так как через диэлектрик, как ни странно, все равно течет ток. Величина этого тока у разных конденсаторов тоже разная. Электролитические конденсаторы обладают самым большим током утечки.

Также ток утечки зависит от напряжения между обкладками конденсатора. Здесь уже работает закон Ома: I=U/Rдиэлектрика . Поэтому, никогда не стоит подавать напряжение больше, чем максимально рабочее напряжение, прописанное в даташите или на самом конденсаторе.

Сферический конденсатор

Определение 3

Когда проводник имеет форму шара или сферы, тогда внешняя замкнутая оболочка является концентрической сферой, это означает, что конденсатор сферический.

Он состоит из двух концентрических проводящих сферических поверхностей с пространством между обкладками, заполненным диэлектриком, как показано на рисунке 2. Емкость рассчитывается по формуле:

C=4πεε0R1R2R2-R1, где R1 и R2 являются радиусами обкладок.

Рисунок2

Нужна помощь преподавателя?Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!Описать задание

Цилиндрический конденсатор

Емкость цилиндрического конденсатора равняется:

C=2πεε0llnR2R1, где l — высота цилиндров, R1 и R2 — радиусы обкладок. Данный вид конденсатора имеет две соосные поверхности проводящих цилиндрических поверхности, как показано на рисунке 3.

Рисунок3

Определение 4

Важной характеристикой конденсаторов считается пробивное напряжение — напряжение, при котором происходит электрический разряд через слой диэлектрика.

Umax находится от зависимости от толщины слоя и свойств диэлектрика, конфигурации конденсатора.

Электроемкость плоского конденсатора. Формулы

Кроме отдельных конденсаторов используются их соединения. Наличие параллельного соединения конденсаторов применяют для увеличения его емкости. Тогда поиск результирующей емкости соединения сводится к записи суммы Ci, где Ci- это емкость конденсатора с номером i:

C=∑i=1NCi.

При последовательном соединении конденсаторов суммарная емкость соединения всегда будет по значению меньше, чем минимальная любого конденсатора, входящего в систему. Для расчета результирующей емкости следует сложить величины, обратные к емкостям отдельных конденсаторов:

Пример 1

Произвести вычисление емкости плоского конденсатора при известной площади обкладок
1 см2 с расстоянием между ними 1 мм. Пространство между обкладками находится в вакууме.

Решение

Чтобы рассчитать электроемкость конденсатора, применяется формула:

C=εε0Sd.

Значения:

ε=1, ε0=8,85·10-12 Фм;S=1 см2=10-4 м2;d=1 мм=10-3 м.

Подставим числовые выражения и вычислим:

C=8,85·10-12·10-410-3=8,85·10-13 (Ф).

Ответ:C≈0,9 пФ.

Пример 2

Найти напряженность электростатического поля у сферического конденсатора на расстоянии x=1 см=10-2 м от поверхности внутренней обкладки при внутреннем радиусе обкладки, равном R1=1 см=10-2 м, внешнем – R2=3 см=3·10-2 м. Значение напряжения — 103 В.

Решение

Производящая заряженная сфера создает напряженность поля. Его значение вычисляется по формуле:

E=14πεε0qr2, где q обозначают заряд внутренней сферы, r=R1+x — расстояние от центра сферы.

Нахождение заряда предполагает применение определения емкости конденсатора С:

q=CU.

Для сферического конденсатора предусмотрена формула вида

C=4πεε0R1R2R2-R1 с радиусами обкладок R1 и R2.

Производим подстановку выражений для получения искомой напряженности:

E=14πεε0U(x+R1)24πεε0R1R2R2-R1=U(x+R1)2R1R2R2-R1.

Данные представлены в системе СИ, поэтому достаточно заменить буквы числовыми выражениями:

E=103(1+1)2·10-4·10-2·3·10-23·10-2-10-2=3·10-18·10-6=3,45·104 Вм.

Ответ: E=3,45·104 Вм.

Формула сопротивления конденсатора

С помощью физико-математических преобразований физики и математики вывели формулу для расчета сопротивления конденсатора. Прошу любить и жаловать:

где, ХС  – это сопротивление конденсатора, Ом

П – постоянная и равняется приблизительно 3,14

F – частота, измеряется в Герцах

С – емкость,  измеряется в Фарадах

Так вот, поставьте в эту формулу частоту в  ноль Герц. Частота в ноль Герц – это и есть постоянный ток. Что получится? 1/0=бесконечность или очень большое сопротивление. Короче говоря, обрыв цепи.

В чем отличие полярного и неполярного?

Неполярные допускают включение конденсаторов в цепь без учета направления тока. Элементы применяются в фильтрах переменных источников питания, усилителях высокой частоты.

Полярные изделия подсоединяют в соответствии с маркировкой. При включении в обратном направлении прибор выйдет из строя или не будет нормально работать.

Полярные и неполярные конденсаторы большой и малой ёмкости отличаются конструкцией диэлектрика. В электролитических конденсаторах, если оксид наносится на 1 электрод или 1 сторону бумаги, пленки, то элемент будет полярным.

Модели неполярных электролитических конденсаторов, в конструкциях которых оксид металла нанесли симметрично на обе поверхности диэлектрика, включают в цепи с переменным током.

У полярных на корпусе присутствует маркировка положительного или отрицательного электрода.

Где применяются конденсаторы?

Работа электронных, радиотехнических и электрических устройств невозможна без конденсаторов.

В электротехнике прибор используется для сдвига фаз при запуске асинхронных двигателей. Без сдвига фаз трехфазный асинхронный двигатель в переменной однофазной сети не функционирует.

Конденсаторы с ёмкостью в несколько фарад — ионисторы, используются в электромобилях, как источники питания двигателя.

Для понимания, зачем нужен конденсатор, нужно знать, что 10-12% измерительных устройств работают по принципу изменения электрической ёмкости при изменении параметров внешней среды. Реакция ёмкости специальных приборов используется для:

• регистрации слабых перемещений через увеличение или уменьшение расстояния между обкладками;
• определения влажности с помощью фиксирования изменений сопротивления диэлектрика;
• измерения уровня жидкости, которая меняет ёмкость элемента при заполнении.

Трудно представить, как конструируют автоматику и релейную защиту без конденсаторов. Некоторые логики защит учитывают кратность перезаряда прибора.

Ёмкостные элементы используются в схемах устройств мобильной связи, радио и телевизионной техники. Конденсаторы применяют в:

• усилителях высоких и низких частот;
• блоках питания;
• частотных фильтрах;
• усилителях звука;
• процессорах и других микросхемах.

Легко найти ответ на вопрос, для чего нужен конденсатор, если посмотреть на электрические схемы электронных устройств.

От чего зависит ёмкость?

Главная функция и роль конденсатора в цепи заключается в накоплении зарядов, а дополнительная — не допускать утечек.

Величина ёмкости конденсатора прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости среды и площади пластин, и обратно пропорциональна расстоянию между электродами. Возникает 2 противоречия:

1. Чтобы увеличить ёмкость, электроды нужны как можно толще, шире и длиннее. При этом размеры прибора увеличивать нельзя.
2. Чтобы удерживать заряды и обеспечить нужную силу притяжения, расстояние между пластинами делают минимальным. При этом ток пробоя уменьшать нельзя.

Для разрешения противоречий разработчики применяют:

• многослойные конструкции пары диэлектрик и электрод;
• пористые структуры анодов;
• замену бумаги на оксиды и электролиты;
• параллельное включение элементов;
• заполнение свободного пространства веществами с повышенной диэлектрической проницаемостью.

Размеры конденсаторов уменьшаются, а характеристики становятся лучше с каждым новым изобретением.