Для чего в электрическую цепь включают конденсатор. §52

Конденсатор – элемент, способный накапливать электрическую энергию. Название происходит от латинского слова «condensare» — «сгущать», «уплотнять».

Первый конденсатор был создан в 1745 году Питером ванн Мушенбруком. В честь города Лейдена, в котором его создали, изобретение впоследствии назвали «Лейденской банкой».

Конденсатор состоит из металлических электродов – обкладок, между которыми находится диэлектрик. По сравнению с обкладками, диэлектрик имеет небольшую толщину. Это и определяет свойство конденсатора накапливать заряд: положительные и отрицательные заряды на его обкладках удерживают друг друга, взаимодействуя через тонкий непроводящий слой.

Емкость конденсатора зависит от:

• площади обкладок (S);
• расстояния между ними (d);
• диэлектрической проницаемости материала диэлектрика между обкладками (ԑ).

Связаны они между собой формулой (формула емкости конденсатора):

Для увеличения площади обкладок пластины некоторых конденсаторов изготавливают из полосок фольги, разделенных полоской диэлектрика и скрученных в рулон. Увеличить емкость также можно уменьшением толщины диэлектрика между обкладками и применением материалов с большей диэлектрической проницаемостью. Между обкладками конденсаторов располагают твердые, жидкие вещества и газы, в том числе и воздух.

Конденсаторы небольшой емкости получают на печатных платах, располагая две дорожки напротив друг друга.

Каким бы качественным не был диэлектрик в конденсаторе, он все равно имеет сопротивление. Его величина велика, но в заряженном состоянии конденсатора ток между обкладками все равно есть. Это приводит к явлению «саморазряда »: заряженный конденсатор со временем теряет свой заряд.

Принцип работы конденсатора: его заряд и разряд

Заряд конденсатора. В момент подключения к источнику постоянного тока через конденсатор начинает протекать ток заряда. Он убывает по мере зарядки конденсатора и в итоге падает до величины тока саморазряда, определяющегося проводимостью материала диэлектрика.

Напряжение на конденсаторе плавно нарастает от нуля до напряжения источника питания.

При заряде конденсатора ток и напряжение изменяются по экспоненциальному закону. Время заряда можно определить по формуле:

Если сопротивление в формулу подставить в Омах, в емкость – в Фарадах, то получим время в секундах, за которое напряжение на конденсаторе изменится в е ≈ 2,72 раз. Конденсатор большей емкости будет разряжаться дольше, и быстрее разрядится на меньшую величину сопротивления.

Разряд конденсатора. Если к заряженному конденсатору подключить сопротивление нагрузки, то ток через нее вначале будет максимальным, затем плавно упадет до нуля. Напряжение на его обкладках тоже будет изменяться по экспоненциальному закону.

Применение конденсаторов

Наряду с резисторами конденсаторы являются самыми распространенными компонентами. Ни одно электронное изделие не может без него обойтись. Вот краткий перечень направлений использования конденсаторов.

Блоки питания : в качестве сглаживающих фильтров при преобразовании пульсирующего тока в постоянный.

Звуковоспроизводящая техника : создание при помощи RC-цепочек элементов схем, пропускающих звуковые сигналы одних частот и задерживая остальные. За счет этого удается регулировать тембр и формировать амплитудно-частотные характеристики устройств.

Радио- и телевизионная техника : совместно с катушками индуктивности конденсаторы используются в составе устройств настройки на передающую станцию, выделения полезного сигнала, фильтрации помех.

Электротехника . Для создания фазовых сдвигов в обмотках однофазных электродвигателей или в схемах подключения трехфазных двигателей в однофазную сеть. Используются в установках, компенсирующих реактивную мощность.

При помощи конденсаторов можно накопить заряд, превышающий по мощности источник питания. Это используется для работы фотовспышек , а также в установках для отыскания повреждений в кабельных линиях, выдающих мощный высоковольтный импульс в место повреждения.

Во всех радиотехнических и электронных устройствах кроме транзисторов и микросхем применяются конденсаторы. В одних схемах их больше, в других меньше, но совсем без конденсаторов не бывает практически ни одной электронной схемы.

При этом конденсаторы могут выполнять в устройствах самые разные задачи. Прежде всего, это емкости в фильтрах выпрямителей и стабилизаторов. С помощью конденсаторов передается сигнал между усилительными каскадами, строятся фильтры низких и высоких частот, задаются временные интервалы в выдержках времени и подбирается частота колебаний в различных генераторах.

Свою родословную конденсаторы ведут от , которую в середине XVIII века в своих опытах использовал голландский ученый Питер ван Мушенбрук. Жил он в городе Лейдене, так что нетрудно догадаться, почему так называлась эта банка.

Собственно это и была обыкновенная стеклянная банка, выложенная внутри и снаружи оловянной фольгой - станиолем. Использовалась она в тех же целях, как и современная алюминиевая, но тогда алюминий открыт еще не был.

Единственным источником электричества в те времена была электрофорная машина, способная развивать напряжение до нескольких сотен киловольт. Вот от нее и заряжали лейденскую банку. В учебниках физики описан случай, когда Мушенбрук разрядил свою банку через цепь из десяти гвардейцев взявшихся за руки.

В то время никто не знал, что последствия могут быть трагическими. Удар получился достаточно чувствительным, но не смертельным. До этого не дошло, ведь емкость лейденской банки была незначительной, импульс получился очень кратковременным, поэтому мощность разряда была невелика.

Как устроен конденсатор

Устройство конденсатора практически ничем не отличается от лейденской банки: все те же две обкладки, разделенные диэлектриком. Именно так на современных электрических схемах изображаются конденсаторы. На рисунке 1 показано схематичное устройство плоского конденсатора и формула для его расчета.

Рисунок 1. Устройство плоского конденсатора

Здесь S - площадь пластин в квадратных метрах, d - расстояние между пластинами в метрах, C - емкость в фарадах, ε - диэлектрическая проницаемость среды. Все величины, входящие в формулу, указаны в системе СИ. Эта формула справедлива для простейшего плоского конденсатора: можно просто расположить рядом две металлические пластины, от которых сделаны выводы. Диэлектриком может служить воздух.

Из этой формулы можно понять, что емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь пластин и чем меньше расстояние между ними. Для конденсаторов с другой геометрией формула может быть иной, например, для емкости одиночного проводника или . Но зависимость емкости от площади пластин и расстояния между ними та же, что и у плоского конденсатора: чем больше площадь и чем меньше расстояние, тем больше емкость.

На самом деле пластины не всегда делаются плоскими. У многих конденсаторов, например металлобумажных, обкладки представляют собой алюминиевую фольгу свернутую вместе с бумажным диэлектриком в плотный клубок, по форме металлического корпуса.

Для увеличения электрической прочности тонкая конденсаторная бумага пропитывается изолирующими составами, чаще всего трансформаторным маслом. Такая конструкция позволяет делать конденсаторы с емкостью до нескольких сотен микрофарад. Примерно так же устроены конденсаторы и с другими диэлектриками.

Формула не содержит никаких ограничений на площадь пластин S и расстояние между пластинами d. Если предположить, что пластины можно развести очень далеко, и при этом площадь пластин сделать совсем незначительной, то какая-то емкость, пусть небольшая, все равно останется. Подобное рассуждение говорит о том, что даже просто два проводника, расположенные по соседству, обладают электрической емкостью.

Этим обстоятельством широко пользуются в высокочастотной технике: в некоторых случаях конденсаторы делаются просто в виде дорожек печатного монтажа, а то и просто двух скрученных вместе проводков в полиэтиленовой изоляции. Обычный провод-лапша или кабель также обладают емкостью, причем с увеличением длины она увеличивается.

Кроме емкости C, любой кабель обладает еще и сопротивлением R. Оба этих физических свойства распределены по длине кабеля, и при передаче импульсных сигналов работают как интегрирующая RC - цепочка, показанная на рисунке 2.

Рисунок 2.

На рисунке все просто: вот схема, вот входной сигнал, а вот он же на выходе. Импульс искажается до неузнаваемости, но это сделано специально, для чего и собрана схема. Пока же речь идет о влиянии емкости кабеля на импульсный сигнал. Вместо импульса на другом конце кабеля появится вот такой «колокол», а если импульс короткий, то он может и вовсе не дойти до другого конца кабеля, вовсе пропасть.

Исторический факт

Здесь вполне уместно вспомнить историю о том, как прокладывали трансатлантический кабель. Первая попытка в 1857 году потерпела неудачу: телеграфные точки - тире (прямоугольные импульсы) искажались так, что на другом конце линии длиной 4000 км разобрать ничего не удалось.

Вторая попытка была предпринята в 1865 году. К этому времени английский физик У. Томпсон разработал теорию передачи данных по длинным линиям. В свете этой теории прокладка кабеля оказалась более удачной, сигналы принять удалось.

За этот научный подвиг королева Виктория пожаловала ученого рыцарством и титулом лорда Кельвина. Именно так назывался небольшой город на побережье Ирландии, где начиналась прокладка кабеля. Но это просто к слову, а теперь вернемся к последней букве в формуле, а именно, к диэлектрической проницаемости среды ε.

Немножко о диэлектриках

Эта ε стоит в знаменателе формулы, следовательно, ее увеличение повлечет за собой возрастание емкости. Для большинства используемых диэлектриков, таких как воздух, лавсан, полиэтилен, фторопласт эта константа практически такая же, как у вакуума. Но вместе с тем существует много веществ, диэлектрическая проницаемость которых намного выше. Если воздушный конденсатор залить ацетоном или спиртом, то его емкость возрастет раз в 15…20.

Но подобные вещества обладают кроме высокой ε еще и достаточно высокой проводимостью, поэтому такой конденсатор заряд держать будет плохо, он быстро разрядится сам через себя. Это вредное явление называется током утечки. Поэтому для диэлектриков разрабатываются специальные материалы, которые позволяют при высокой удельной емкости конденсаторов обеспечивать приемлемые токи утечки. Именно этим и объясняется такое разнообразие видов и типов конденсаторов, каждый из которых предназначен для конкретных условий.

Наибольшей удельной емкостью (соотношение емкость / объем) обладают . Емкость «электролитов» достигает до 100 000 мкФ, рабочее напряжение до 600В. Такие конденсаторы работают хорошо только на низких частотах, чаще всего в фильтрах источников питания. Электролитические конденсаторы включаются с соблюдением полярности.

Электродами в таких конденсаторах является тонкая пленка из оксида металлов, поэтому часто эти конденсаторы называют оксидными. Тонкий слой воздуха между такими электродами не очень надежный изолятор, поэтому между оксидными обкладками вводится слой электролита. Чаще всего это концентрированные растворы кислот или щелочей.

На рисунке 3 показан один из таких конденсаторов.

Рисунок 3. Электролитический конденсатор

Чтобы оценить размеры конденсатора рядом с ним сфотографировался простой спичечный коробок. Кроме достаточно большой емкости на рисунке можно разглядеть еще и допуск в процентах: ни много ни мало 70% от номинальной.

В те времена, когда компьютеры были большими и назывались ЭВМ, такие конденсаторы стояли в дисководах (по-современному HDD). Информационная емкость таких накопителей теперь может вызвать лишь улыбку: на двух дисках диаметром 350 мм хранилось 5 мегабайт информации, а само устройство весило 54 кг.

Основным назначением показанных на рисунке суперконденсаторов был вывод магнитных головок из рабочей зоны диска при внезапном отключении электроэнергии. Такие конденсаторы могли хранить заряд несколько лет, что было проверено на практике.

Чуть ниже с электролитическими конденсаторами будет предложено проделать несколько простых опытов, чтобы понять, что может делать конденсатор.

Для работы в цепях переменного тока выпускаются неполярные электролитические конденсаторы, вот только достать их почему-то очень непросто. Чтобы как-то эту проблему обойти, обычные полярные «электролиты» включают встречно-последовательно: плюс-минус-минус-плюс.

Если полярный электролитический конденсатор включить в цепь переменного тока, то сначала он будет греться, а потом раздастся взрыв. Отечественные старые конденсаторы разлетались во все стороны, импортные же имеют специальное приспособление, позволяющее избежать громких выстрелов. Это, как правило, либо крестовая насечка на донышке конденсатора, либо отверстие с резиновой пробкой, расположенное там же.

Очень не любят электролитические конденсаторы повышенного напряжения, даже если полярность соблюдена. Поэтому никогда не надо ставить «электролиты» в цепь, где предвидится напряжение близкое к максимальному для данного конденсатора.

Иногда в некоторых, даже солидных форумах, начинающие задают вопрос: «На схеме означен конденсатор 470µF * 16V, а у меня есть 470µF * 50V, можно ли его поставить?». Да, конечно можно, вот обратная замена недопустима.

Конденсатор может накапливать энергию

Разобраться с этим утверждением поможет простая схема, показанная на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема с конденсатором

Главным действующим лицом этой схемы является электролитический конденсатор C достаточно большой емкости, чтобы процессы заряда - разряда протекали медленно, и даже очень наглядно. Это дает возможность наблюдать работу схемы визуально с помощью обычной лампочки от карманного фонаря. Фонари эти давно уступили место современным светодиодным, но лампочки для них продаются до сих пор. Поэтому, собрать схему и провести простые опыты очень даже просто.

Может быть, кто-то скажет: «А зачем? Ведь и так все очевидно, да если еще и описание почитать…». Возразить тут, вроде, нечего, но любая, даже самая простая вещь остается в голове надолго, если ее понимание пришло через руки.

Итак, схема собрана. Как она работает?

В положении переключателя SA, показанном на схеме, конденсатор C заряжается от источника питания GB через резистор R по цепи: +GB __ R __ SA __ C __ -GB. Зарядный ток на схеме показан стрелкой с индексом iз. Процесс заряда конденсатора показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Процесс заряда конденсатора

На рисунке видно, что напряжение на конденсаторе возрастает по кривой линии, в математике называемой экспонентой. Ток заряда прямо-таки зеркально отражает напряжение заряда. По мере того, как напряжение на конденсаторе растет, ток заряда становится все меньше. И только в начальный момент соответствует формуле, показанной на рисунке.

Через некоторое время конденсатор зарядится от 0В до напряжения источника питания, в нашей схеме до 4,5В. Весь вопрос в том, как это время определить, сколько ждать, когда же конденсатор зарядится?

Постоянная времени «тау» τ = R*C

В этой формуле просто перемножаются сопротивление и емкость последовательно соединенных резистора и конденсатора. Если, не пренебрегая системой СИ, подставить сопротивление в Омах, емкость в Фарадах, то результат получится в секундах. Именно это время необходимо для того, чтобы конденсатор зарядился до 36,8% напряжения источника питания. Соответственно для заряда практически до 100% потребуется время 5* τ.

Часто, пренебрегая системой СИ, подставляют в формулу сопротивление в Омах, а емкость в микрофарадах, тогда время получится в микросекундах. В нашем случае результат удобнее получить в секундах, для чего придется микросекунды просто умножить на миллион, а проще говоря, переместить запятую на шесть знаков влево.

Для схемы, показанной на рисунке 4, при емкости конденсатора 2000мкФ и сопротивлении резистора 500Ω постоянная времени получится τ = R*C = 500 * 2000 = 1000000 микросекунд или ровно одна секунда. Таким образом, придется подождать приблизительно 5 секунд, пока конденсатор зарядится полностью.

Если по истечении указанного времени переключатель SA перевести в правое положение, то конденсатор C разрядится через лампочку EL. В этот момент получится короткая вспышка, конденсатор разрядится и лампочка погаснет. Направление разряда конденсатора показано стрелкой с индексом iр. Время разряда также определяется постоянной времени τ. График разряда показан на рисунке 6.

Рисунок 6. График разряда конденсатора

Конденсатор не пропускает постоянный ток

Убедиться в этом утверждении поможет еще более простая схема, показанная на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема с конденсатором в цепи постоянного тока

Если замкнуть переключатель SA, то последует кратковременная вспышка лампочки, что свидетельствует о том, что конденсатор C зарядился через лампочку. Здесь же показан и график заряда: в момент замыкания переключателя ток максимальный, по мере заряда конденсатора уменьшается, а через некоторое время прекращается совсем.

Если конденсатор хорошего качества, т.е. с малым током утечки (саморазряда) повторное замыкание выключателя к вспышке не приведет. Для получения еще одной вспышки конденсатор придется разрядить.

Конденсатор в фильтрах питания

Конденсатор ставится, как правило, после выпрямителя. Чаще всего выпрямители делаются двухполупериодными. Наиболее распространенные схемы выпрямителей показаны на рисунке 8.

Рисунок 8. Схемы выпрямителей

Однополупериодные выпрямители также применяются достаточно часто, как правило, в тех случаях, когда мощность нагрузки незначительна. Самым ценным качеством таких выпрямителей является простота: всего один диод и обмотка трансформатора.

Для двухполупериодного выпрямителя емкость конденсатора фильтра можно рассчитать по формуле

C = 1000000 * Po / 2*U*f*dU, где C емкость конденсатора мкФ, Po мощность нагрузки Вт, U напряжение на выходе выпрямителя В, f частота переменного напряжения Гц, dU амплитуда пульсаций В.

Большое число в числителе 1000000 переводит емкость конденсатора из системных Фарад в микрофарады. Двойка в знаменателе представляет собой число полупериодов выпрямителя: для однополупериодного на ее месте появится единица

C = 1000000 * Po / U*f*dU,

а для трехфазного выпрямителя формула примет вид C = 1000000 * Po / 3*U*f*dU.

Суперконденсатор - ионистор

В последнее время появился новый класс электролитических конденсаторов, так называемый . По своим свойствам он похож на аккумулятор, правда, с несколькими ограничениями.

Заряд ионистора до номинального напряжения происходит в течение короткого времени, буквально за несколько минут, поэтому его целесообразно использовать в качестве резервного источника питания. По сути ионистор прибор неполярный, единственное, чем определяется его полярность это зарядкой на заводе - изготовителе. Чтобы в дальнейшем эту полярность не перепутать она указывается знаком +.

Большую роль играют условия эксплуатации ионисторов. При температуре 70˚C при напряжении 0,8 от номинального гарантированная долговечность не более 500 часов. Если же прибор будет работать при напряжении 0,6 от номинального, а температура не превысит 40 градусов, то исправная работа возможна в течение 40 000 часов и более.

Наиболее распространенное применение ионистора это источники резервного питания. В основном это микросхемы памяти или электронные часы. В этом случае основным параметром ионистора является малый ток утечки, его саморазряд.

Достаточно перспективным является использование ионисторов совместно с солнечными батареями. Здесь также сказывается некритичность к условию заряда и практически неограниченное число циклов заряд-разряд. Еще одно ценное свойство в том, что ионистор не нуждается в обслуживании.

Пока получилось рассказать, как и где работают электролитические конденсаторы, причем, в основном в цепях постоянного тока. О работе конденсаторов в цепях переменного тока будет рассказано в другой статье - .

Конденсатор – распространенное двухполюсное устройство, применяемое в различных электрических цепях. Он имеет постоянную или переменную ёмкость и отличается малой проводимостью, он способен накапливать в себе заряд электрического тока и передавать его другим элементам в электроцепи.
Простейшие примеры состоят из двух пластинчатых электродов, разделенных диэлектриком и накапливающих противоположные заряды. В практических условиях мы используем конденсаторы с большим числом разделенных диэлектриком пластин.

Заряд конденсатора начинается при подключении электронного прибора к сети. В момент подключения прибора на электродах конденсатора много свободного места, потому электрический ток , поступающий в цепь, имеет наибольшую величину. По мере заполнения, электроток будет уменьшаться и полностью пропадет, когда ёмкость устройства будет полностью наполнена.

В процессе получения заряда электрического тока, на одной пластине собираются электроны (частицы с отрицательным зарядом), а на другой – ионы (частицы с положительным зарядом). Разделителем между положительно и отрицательно заряженными частицами выступает диэлектрик, в качестве которого могут использоваться различные материалы.

В момент подключения электрического устройства к источнику питания, напряжение в электрической цепи имеет нулевое значение. По мере заполнения ёмкостей напряжение в цепи увеличивается и достигает величины, равной уровню на источнике тока.

При отключении электрической цепи от источника питания и подключении нагрузки, конденсатор перестает получать заряд и отдает накопленный ток другим элементам. Нагрузка образует цепь между его пластинами, потому в момент отключения питания положительно заряженные частицы начнут двигаться по направлению к ионам.

Начальный ток в цепи при подключении нагрузки будет равняться напряжению на отрицательно заряженных частицах, разделенному на величину сопротивления нагрузки. При отсутствии питания конденсатор начнет терять заряд и по мере убывания заряда в ёмкостях, в цепи будет снижаться уровень напряжения и величины тока. Этот процесс завершится только тогда, когда в устройстве не останется заряда.

На рисунке выше представлена конструкция бумажного конденсатора:
а) намотка секции;
б) само устройство.
На этой картинке:

1. Бумага;
2. Фольга;
3. Изолятор из стекла;
4. Крышка;
5. Корпус;
6. Прокладка из картона;
7. Оберточная бумага;
8. Секции.

Ёмкость конденсатора считается важнейшей его характеристикой, от него напрямую зависит время полной зарядки устройства при подключении прибора к источнику электрического тока. Время разрядки прибора также зависит от ёмкости, а также от величины нагрузки. Чем выше будет сопротивление R, тем быстрее будет опустошаться ёмкость конденсатора.

В качестве примера работы конденсатора можно рассмотреть функционирование аналогового передатчика или радиоприемника. При подключении прибора к сети, конденсаторы, подключенные к катушке индуктивности, начнут накапливать заряд, на одних пластинах будут собираться электроды, а на других – ионы. После полной зарядки ёмкости устройство начнет разряжаться. Полная потеря заряда приведет к началу зарядки, но уже в обратном направлении, то есть, пластины имевшие положительный заряд в этот раз будут получать отрицательный заряд и наоборот.

Назначение и использование конденсаторов

В настоящее время их используют практически во всех радиотехнических и различных электронных схемах.
В электроцепи переменного тока они могут выступать в качестве ёмкостного сопротивления. К примеру, при подключении конденсатора и лампочки к батарейке (постоянный ток), лампочка светиться не будет. Если же подключить такую цепь к источнику переменного тока, лампочка будет светиться, причем интенсивность света будет напрямую зависеть от величины ёмкости используемого конденсатора. Благодаря этим особенностям, они сегодня повсеместно применяются в цепях в качестве фильтров, подавляющих высокочастотные и низкочастотные помехи.

Конденсаторы также используются в различных электромагнитных ускорителях, фотовспышках и лазерах, благодаря способности накапливать большой электрический заряд и быстро передавать его другим элементам сети с низким сопротивлением, за счет чего создается мощный импульс.

Во вторичных источниках электрического питания их применяют для сглаживания пульсаций при выпрямлении напряжения.

Способность сохранять заряд длительное время дает возможность использовать их для хранения информации.

Использование резистора или генератора тока в цепи с конденсатором позволяет увеличить время заряда и разряда ёмкости устройства, благодаря чему эти схемы можно использовать для создания времязадающих цепей, не предъявляющих высоких требований к временной стабильности.

В различной электрической технике и в фильтрах высших гармоник данный элемент применяется для компенсации реактивной мощности.

В магазинах электротехники конденсаторы чаще всего можно увидеть в виде цилиндра, внутри которого располагается множество лент из пластин и диэлектриков.

Конденсатор – что такое?

Конденсатор – это часть электрической цепи, состоящей из 2 электродов, которые способны накапливать, сосредотачивать или передавать ток другим устройствам. Конструктивно электроды представляют собой обкладки конденсатора, у которых заряды противоположны. Для того чтобы устройство работало, между пластинами размещен диэлектрик – элемент, не позволяющий двум пластинам соприкоснуться друг с другом.

Определение конденсатора произошло от латинского слова «condenso», что обозначает уплотнение, сосредоточение.

Элементы для пайки емкостей служат для транспортировки, измерения, перенаправления и передачи электроэнергии и сигналов.

Где применяются конденсаторы

Каждый начинающий радиолюбитель часто задается вопросом: для чего нужен конденсатор? Новички не понимают, зачем он нужен, и ошибочно считают, что он может полноценно заменить батарейку или блок питания.

В комплектацию всех радиоустройств входят конденсаторы, транзисторы и резисторы. Данные элементы составляют кастет платы или целый модуль в схемах со статичными значениями, что делает его базой для любого электроприбора, начиная от небольшого утюга и заканчивая промышленными приборами.

Применение конденсаторов чаще всего наблюдается в качестве:

1. Фильтрующего элемента для ВЧ и НЧ помех;
2. Нивелира резких скачков переменного тока, а так для статики и напряжения на конденсаторе;
3. Выравнивателя пульсаций напряжения.

Назначение конденсатора и его функции определяются целями использования:

1. Общего назначения. Это конденсатор, в конструкции которого присутствуют только низковольтные элементы, расположенные на небольших платах, например, таких приборах, как телевизионный пульт, радио, чайник и т.д.;
2. Высоковольтные. Конденсатор в цепи постоянного тока поддерживает производственные и технические системы, находящиеся под высоким напряжением;
3. Импульсные. Емкостный формирует резкий скачок напряжения и подает его на принимающую панель устройства;
4. Пусковые. Используются для пайки в тех устройствах, которые предназначены для запуска, включения/выключения приборов, например, пульт или блок управления;
5. Помехоподавляющие. Конденсатор в цепи переменного тока используется в спутниковом, телевизионном и военном оборудовании.

Типы конденсаторов

Устройство конденсатора определятся видом диэлектрика. Он бывает следующих типов:

1. Жидкий. Диэлектрик в жидком виде встречается нечасто, в основном, такой вид используется в промышленности или для радиоустройств;
2. Вакуумный. Диэлектрик в конденсаторе отсутствует, а вместо него расположены пластины в герметичном корпусе;
3. Газообразный. Основан на взаимодействии химических реакций и применяется для производства холодильного оборудования, производственных линий и установок;
4. Электролитический конденсатор. Принцип основан на взаимодействии металлического анода и электрода (катода). Оксидный слой анода является полупроводниковой частью, вследствие чего такой вид элемента схемы считается наиболее производительным;
5. Органический. Диэлектрик может быть бумажным, пленочным и т.д. Он не способен накапливать, а только лишь слегка нивелировать скачки напряжения;
6. Комбинированный. Сюда относятся металло-бумажные, бумажно-пленочные и т.д. Коэффициент полезного действия увеличивается, если в состав диэлектрика входит металлическая составляющая;
7. Неорганический. Выделяют наиболее распространенные: стеклянный и керамический. Их использование обуславливается долговечностью и прочностью;
8. Комбинированный неорганический. Стекло-пленочный, а также стекло-эмалевый, которые выделяются отличными нивелирующими свойствами.

Виды конденсаторов

Элементы радиоплаты различаются по типу изменения емкости:

1. Постоянные. Элементы поддерживают постоянную емкость напряжения до конца всего срока годности. Данный вид наиболее распространенный и универсальный, так как он подходит для того, чтобы сделать любой тип устройств;
2. Переменные. Обладают способностью к перемене объема емкости при использовании реостата, варикапы или при изменении температурного режима. Механический метод с помощью реостата предполагает впайку дополнительного элемента на плату, в то время как при использовании вариконды изменяется лишь объем поступающего напряжения;
3. Подстроечные. Являются наиболее гибким видом конденсатора, с помощью которого можно максимально быстро и эффективно увеличить пропускную способность системы при минимальных реконструкциях.

Принцип работы конденсатора

Рассмотрим, как работает конденсатор при подключении к источнику питания:

1. Накопление заряда. При подключении к сети ток направляется на электролиты;
2. Заряженные частицы распределяются на пластину, согласно своему заряду: отрицательные – на электроны, а положительные – на ионы;
3. Диэлектрик служит преградой между двумя пластинами и не дает частицам смешиваться.

Определение емкости конденсатора проводится путем расчета отношения заряда одного проводника к его потенциальной мощности.

Важно! Диэлектрик также способен снимать образовавшееся напряжение на конденсаторе в процессе работы устройства.

Характеристики конденсатора

Характеристики условно делятся на пункты:

1. Величина отклонения. В обязательном порядке каждый конденсатор перед тем, как попасть в магазин, проходит ряд тестов на производственной линии. После проведения испытаний каждой модели производитель указывает диапазон допустимых отклонений от исходного значения;
2. Величина напряжения. В основном используются элементы напряжением 12 или 220 Вольт, но также существуют и на 5, 50, 110, 380, 660, 1000 и более Вольт. Для того чтобы избежать перегорания конденсатора, пробоя диэлектрика, лучше всего приобретать элемент с запасом напряжения;
3. Допустимая температура. Данный параметр очень важен для мелких устройств, работающих от сети 220 Вольт. Как правило, чем больше напряжение, тем выше уровень допустимой температуры для работы. Температурные параметры измеряются с помощью электронного термометра;
4. Наличие постоянного или переменного тока. Пожалуй, один из важнейших параметров, так как от него полностью зависит производительность проектируемого оборудования;
5. Количество фаз. В зависимости от сложности устройства, можно использовать однофазные или трехфазные конденсаторы. Для подключения элемента напрямую достаточно однофазного, а если плата представляет собой «город», то рекомендуется использовать трехфазный, так как он более плавно распределяет нагрузку.

От чего зависит емкость

Емкость конденсатора зависит от типа диэлектрика и указывается на корпусе, измеряется в мкФ или uF. Варьируется в диапазоне от 0 до 9 999 пФ в пикофарадах, тогда как в микрофарадах – от 10 000 пФ до 9 999 мкФ. Эти характеристики прописаны в государственном стандарте ГОСТ 2.702.

Обратите внимание! Чем больше емкость электролитов, тем больше время зарядки, и тем больше заряда устройство сможет передать.

Чем больше величина нагрузки или мощность прибора, тем короче время разряда. При этом сопротивление играет немаловажную роль, так как от него зависит количество исходящего электропотока.

Главной частью конденсатора является диэлектрик. Он обладает следующим рядом характеристик, влияющих на мощность оборудования:

1. Сопротивление изоляции. Сюда относится как внутренняя, так и внешняя изоляция, сделанная из полимеров;
2. Максимальное напряжение. Диэлектрик определяет, какое напряжение конденсатор способен накапливать или передавать;
3. Величина потерь энергии. Зависит от конфигурации диэлектрика и его характеристик. Как правило, энергия рассеивается постепенно или резкими импульсами;
4. Уровень емкости. Для того чтобы конденсатор мог сохранять небольшое количество энергии непродолжительное время, необходимо, чтобы он поддерживал постоянный объем емкости. Чаще всего, он выходит из строя именно по причине невозможности пропускать заданный объем напряжения;

Полезно знать! Аббревиатура «АС», расположенная на корпусе элемента, обозначает переменное напряжение. Накопленное напряжение на конденсаторе невозможно использовать или передавать – его необходимо гасить.

Свойства конденсатора

Конденсатор выступает в роли:

1. Индуктивной катушки. Рассмотрим на примере обычной лампочки: она загорится, только если подключить ее напрямую к источнику переменного тока. Отсюда вытекает правило, что чем больше емкость, тем мощнее будет световой поток лампочки;
2. Накопителя заряда. Свойства позволяют ему быстро заряжаться и разряжаться, тем самым создавая сильнейший импульс с малым сопротивлением. Применяется для производства различных видов ускорителей, лазерных установок, электровспышек и т.д.;
3. Аккумулятора полученного заряда. Мощный элемент способен продолжительное время сохранять полученную порцию тока, при этом он может служить адаптером для других устройств. По сравнению с аккумуляторной батареей, конденсатор теряет часть заряда по истечению времени, а также не способен вместить большой объем электричества, например, для промышленных масштабов;
4. Зарядки электродвигателя. Подключение осуществляется через третий вывод (рабочее напряжение конденсатора на 380 или 220 Вольт). Благодаря новой технологии, стало возможным использование трехфазного двигателя (с поворотом фазы на 90 градусов), при использовании стандартной сети;
5. Устройства-компенсатора. Используется в промышленности для стабилизации реактивной энергии: часть поступающей мощности растворяется и на выходе из конденсатора корректируется под определенный объем.

Видео

Конденсатор — пассивный электронный элемент, состоящий из двух проводников (обложки), разделенных между собой слоем диэлектрика (изолятором)

Конденсатор на схемах обозначается следующим образом:

Что такое конденсатор?

Основная функция конденсатора

Функция конденсатора — накопление электростатического заряда на обложках при подключении его к источнику напряжения. После отключения конденсатора от цепи он сохраняет накопленную электроэнергию. Повторное подключение конденсатора к замкнутому контуру без источника питания или с источником напряжения ниже, чем напряжение накопленное в конденсаторе, приведет к высвобождению части или всей энергии.

Электрическая емкость — основной параметр конденсатора

Главный параметр — емкость, то есть способность конденсатора к накоплению заряда. Емкость обозначается буквой „C”, а единицей измерения емкости является F (Фарад):

где,
С – емкость, в фарадах
Q — заряд, накопленный на одной обложке, в кулонах *
U — напряжение между обложками, в вольтах
* Кулон - это величина заряда, прошедшего через проводник при силе тока 1 А за время 1 сек.

Параллельное и последовательное соединение конденсаторов

последовательно

С = (С1 х С2) / (С1 + С2)

Емкость конденсаторов, соединенных параллельно (наоборот, чем у резисторов):

Основные виды конденсаторов

1. Электролитические конденсаторы

Тип:

• Алюминиевые , имеют емкость от 1 мкф до 1 ф (a);
• Танталовые , имеют емкость до 3000 мкф (b);
• Ниобиевые , имеют узкий диапазон емкости, напряжением до 10В (c);
• Суперконденсаторы (ионисторы), имеют очень большую емкость и скорость зарядки/разрядки (d).

Конструкция:

Алюминиевый электролитический конденсатор состоит из двух алюминиевых лент (обкладок), разделенных бумагой (диэлектриком, то есть изолятором), который пропитан электролитом (исполняющий роль отрицательного электрода). Одна из алюминиевых лент играет роль анода. Ее поверхность очень шероховатая, что значительно увеличивает ее поверхность.

В процессе производства конденсаторов выполняют так называемый процесс формирования – это когда конденсатор подключают к источнику напряжения выше номинального напряжения. В результате этого на алюминиевой ленте, исполняющую роль анода, под влиянием отрицательных ионов из электролита образуется тонкий слой оксида алюминия, который, как бумага выполняет функцию изолятора. Для чего тогда служит другая алюминиевая лента? Подводит ток к катоду, т. е. к электролиту.

Особенности:

• большая емкость (от 1 мкф до 1 ф) при сравнительно небольших размерах;
• низкое сопротивление;
• маленькая индуктивность;
• необходимо соблюдать полярность при подключении (в противном случае может привести к взрыву);
• проводят ток в одном направлении;
• при неправильном или длительном хранении могут высыхать — тонкий слой оксида алюминия повреждается, а повышенное давление во время работы конденсатора может привести к его разгерметизации;

Применение:

Электролитические конденсаторы применяются в цепях питания в качестве фильтра и накапливания энергии.

2. Керамические конденсаторы

Тип:

• тип 1 – лучший из используемых в народе конденсаторов, имеют строго определенный температурный коэффициент и небольшие потери, но диапазон их емкости только от 0,1 пф до 10 нф;
• тип 2 (сегнетоэлектрические) – имеют хуже параметры, но имеют небольшие размеры и большую емкость от 100 пф до 1 мкф;
• тип 3 (полупроводниковые) – параметры схожи с типом 2, но они еще меньше, их диапазон емкости составляет от 100 пф до 10 мкф.

Конструкция:

Основным компонентом диэлектрика является двуокись титана в виде уплотненного порошка.

Применение:

Керамические конденсаторы широко применяются в цепях большой частоты, как элементы резонансных контуров и т.д.

Маркировку керамических конденсаторов можно посмотреть .

3. Конденсаторы пленочные

Тип:

• полистирол (марка KSF, KS, MKS) — самые стабильные пленочные конденсаторы, их погрешность может составлять не более 0,5%, выпускаются в диапазоне от 10 пф до 100 нф;
• полиэстер (MKSE или МКТ) — наиболее распространенные пленочные конденсаторы, параметрами близкие к керамическим (сегнетоэлектрическим) конденсаторам, диапазон емкости от 100 пф до 100 мкф;
• поликарбонат (MKC) — имеют лучшие характеристики чем у конденсаторов MKT, но они значительно больше;
• полипропилен (KMP, KFMP или MKP) используются в импульсных схемах (с большими пиками тока и напряжения), диапазон емкости от 1 нф до 10 мкф.

Конструкция:

Диэлектриком является пленка из пластмассы, а обкладки могут быть изготовлены из алюминиевой фольги или из пластиковой пленки, на которую в вакууме наносится металл – алюминий (металлизированные конденсаторы).