Конденсатор встречается в наборах Мастер Кит (да и вообще в электронных устройствах) почти так же часто, как и резистор. Поэтому важно хотя бы в общих чертах представлять его основные характеристики и принцип работы.
Принцип работы конденсатора
В простейшем варианте конструкция состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. Чем больше отношение площади пластин к толщине диэлектрика – тем выше ёмкость конденсатора. Чтобы избежать физического увеличения размеров конденсатора до огромных размеров, конденсаторы изготавливают многослойными: например, сворачивают ленты пластин и диэлектриков в рулон.
Так как любой конденсатор имеет диэлектрик, то он не способен проводить постоянный ток, но он может сохранять электрический заряд, приложенный к его обкладкам, и в нужный момент отдавать его. Это важное свойство
Из самого названия элемента он предполагает, что он выполняет строго определенную деятельность. Сгущает электрическую энергию сама по себе. Основным индикаторным конденсатором является его емкость. Или его способность накапливать электроэнергию. Еще одна важная особенность - его прорывное напряжение. Это напряжение, при котором конденсатор ломается и он работает нормально. Это допустимое напряжение, которое может быть подано на конец конденсатора. Конденсатор, а также резистор является пассивным элементом.
Что такое конденсатор? В самой широкой линии это две пластины, которые являются проводящими между теми, у которых есть дозвонщик. Диарея - это материал, который является плохим проводником электрического тока. Диалектика - шина, пластмасса, слюда и другие. Схематический конденсатор выглядит так. Фарада - огромная единица. Электроника использует гораздо меньшие единицы. Одна из них - тонкая металлическая фольга для двух электродов, разделенная посередине на специально обработанную бумагу. Это бумажные конденсаторы.
Давайте договоримся: радиодеталь мы называем конденсатором, а его физическую величину – ёмкостью. То есть правильно сказать так: «конденсатор имеет ёмкость 1 мкФ», но некорректно сказать: «замени на плате вон ту ёмкость». Вас, конечно, поймут, но лучше соблюдать «правила хорошего тона».
Электрическая ёмкость конденсатора – это главный его параметр
Чем больше ёмкость конденсатора, тем больший заряд он может сохранить. Электрическая ёмкость конденсатора измеряется в Фарадах, обозначается F.
1 Фарад - очень большая ёмкость (земной шар имеет ёмкость менее 1Ф), поэтому для обозначения ёмкости в радиолюбительской практике используются следующие основные размерные величины - префиксы: µ (микро), n (нано) и p (пико):
1 микроФарад - 10-6 (одна миллионная часть), т.е. 1000000µF = 1F
1 наноФарад - 10-9 (одна миллиардная часть), т.е. 1000nF = 1µF
p (пико) - 10-12 (одна триллионная часть), т.е. 1000pF = 1nF
Пленку свертывают и запечатывают в пластмассовом или металлическом корпусе, при этом на обоих концах свариваются ножки с обеих сторон. Вы можете использовать полистирольную фольгу или диалектику, которая также может использовать воздух. Это переменные конденсаторы, которые в основном используются для настройки радиостанций и т.д. особым типом конденсаторов являются специальные бумажные конденсаторы, называемые электролитическими. Они используются там, где требуется больше возможностей. На практике имеется химически обработанная полоса бумаги, на которой используется испаренный металл, который используется для электрода.
Как и Ом, Фарад – это фамилия физика. Поэтому, как культурные люди, пишем прописную букву «Ф»: 10 пФ, 33 нФ, 470 мкФ.
Номинальное напряжение конденсатора
Расстояние между пластинами конденсатора (особенно конденсатора большой ёмкости) очень мало, и достигает единиц микрометра. Если приложить к обкладкам конденсатора слишком высокое напряжение, слой диэлектрика может быть нарушен. Поэтому каждый конденсатор имеет такой параметр, как номинальное напряжение. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Но лучше, когда номинальное напряжение конденсатора несколько выше напряжения в схеме. То есть, например, в схеме с напряжением 16В могут работать конденсаторы с номинальным напряжением 16В (в крайнем случае), 25В, 50В и выше. Но нельзя ставить в эту схему конденсатор с номинальным напряжением 10В. Конденсатор может выйти из строя, причём часто это происходит с неприятным хлопком и выбросом едкого дыма.
Как правило, в радиолюбительских конструкциях для начинающих не используется напряжение питания выше 12В, а современные конденсаторы чаще всего имеют номинальное напряжение 16В и выше. Но помнить о номинальном напряжении конденсатора очень важно.
Для обычных конденсаторов не имеет значения, как мы подключаем их электроды. Они полностью эквивалентны. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ. Электролитические конденсаторы имеют строго фиксированное направление привязки. Чаще всего одна из ног - символ -. Мы должны соблюдать это включение. В противном случае мы повредим конденсатор. Как мы можем подключить конденсаторы? Опять же, как и у резисторов, мы имеем два основных типа соединения элементов последовательно и параллельно. Но в отличие от резисторов, здесь действуют другие отношения.
В связи с этим общий конденсатор представляет собой сумму всех подключенных конденсаторов. Таким образом, мы можем использовать несколько конденсаторов меньшего значения, чтобы сделать их более крупными. Последовательное соединение конденсаторов. Во время этого соединения общая емкость уменьшается. Действует формула последовательной связи конденсаторов. Опять же, мы возьмем случайные значения в качестве примера. Или наш общий конденсатор будет иметь значение 3, 33. Вот еще одна картина конденсаторов.
Типы конденсаторов
О разнообразных конденсаторах можно написать много томов. Впрочем, это уже сделали некоторые другие авторы, поэтому я расскажу только самое необходимое: конденсаторы бывают неполярные и полярные (электролитические).
Неполярные конденсаторы
Неполярные конденсаторы (в зависимости от типа диэлектрика подразделяются на бумажные, керамические, слюдяные…) могут устанавливаться в схему как угодно – в этом они похожи на резисторы.
Как правило, неполярные конденсаторы имеют относительно небольшую ёмкость: до 1 мкФ.
В верхнем правом углу находятся символы электролитического и обычного конденсатора. Мы уже упоминали, что есть также конденсаторы, которые могут изменять свои возможности в пределах. Это конденсаторы, которые используются в конденсаторах радио или триммера, которые точно настраиваются.
Вот изображение этих конденсаторов. В настоящее время дешевые светодиодные фонарики продаются на каждом шагу. Недорогие, но их батареи быстро заканчиваются, а это значит, что они стоят денег. Но есть и другие «не-аккумуляторные» фонарики. Например, те, которые загружены кинетической энергией.
Маркировка неполярных конденсаторов
На корпус конденсатора нанесён код из трёх цифр. Первые две цифры определяют значение ёмкости в пикофарадах (пФ), а третья – количество нулей. Так, на изображённом ниже рисунке на конденсатор нанесён код 103. Определим его ёмкость:
10 пФ + (3 нуля) = 10000 пФ = 10 нФ = 0,01 мкФ.
Например, держите ручку на некоторое время или поворачивайте небольшой кривошип, и фонарик светится. Однако эти фонарики также имеют встроенную перезаряжаемую батарею. В большинстве случаев это дешевый тип и работает 1-2 года, после чего его нужно изменить.
Энергия также может быть получена от катушки, в которой движется магнит, так как вы идете куда-нибудь, батарея фонарика заряжается. На обоих концах корпуса фонарика установлены две пластины, и в них ударяется резиновый шар. При встряхивании возникает напряжение, которое при стоянии может заряжать батарею. Однако автор решил полностью избавиться от батарей - он использовал иониста. Эти конденсаторы стали довольно маленькими и относительно дешевыми, поэтому их можно использовать для замены батарей в маломощных устройствах.
Конденсаторы ёмкостью до 10 пФ маркируются по-особенному: символ «R» в их кодировке обозначает запятую. Теперь Вы можете определить ёмкость любого конденсатора. Приведённая ниже табличка поможет Вам проверить себя.
Как правило, в радиолюбительских конструкциях допустима замена некоторых конденсаторов на близкие по номиналу. Например, вместо конденсатора 15 нФ набор может комплектоваться конденсатором 10 нФ или 22 нФ, и это не отразится на работе готовой конструкции.
Керамические конденсаторы не имеют полярности и могут устанавливаться в любом положении выводов.
Некоторые мультиметры (кроме самых бюджетных) имеют функцию измерения ёмкости конденсаторов, и Вы можете воспользоваться этим способом.
Вы также можете использовать ионизатор с низкой емкостью или включить несколько параллельно. Светодиод ярко-белый, рассчитанный на 20 мА. По словам автора, заряженный фонарик фонарика может быть гореть в течение 5-7 минут. Изменения развиваются даже с такими компонентами, как конденсаторы.
Некоторые производители производят их в течение нескольких лет, но можно сказать, что они становятся все более популярными в наши дни. Но когда этот конденсатор имеет мощность в несколько тысяч фарадов, так называемый ультраконденсатор, всем должно быть ясно, что это нечто экстраординарное. Но, как мы знаем из ближайшей истории, через несколько лет будет проведено несколько сотен лет, и любительские бустеры тоже будут использовать его.
Полярные (электролитические) конденсаторы
Есть два способа увеличения ёмкости конденсатора: либо увеличивать размер его пластин, либо уменьшать толщину диэлектрика.
Чтобы минимизировать толщину диэлектрика, в конденсаторах большой ёмкости (выше нескольких микрофарад) применяется специальный диэлектрик в виде оксидной плёнки. Этот диэлектрик нормально работает только при условии правильно приложенного напряжения на обкладках конденсатора. Если перепутать полярность напряжения, электролитический конденсатор может выйти из строя. Метка полярности всегда маркируется на корпусе конденсатора. Это может быть либо значок «+», но чаще всего в современных конденсаторах полосой на корпусе маркируется вывод «минус». Другой, вспомогательный способ определения полярности: плюсовой вывод конденсатора длиннее, но ориентироваться на этот признак можно только до того, как выводы радиодетали обрезаны.
На печатной плате также присутствует метка полярности (как правило, значок «+»). Поэтому при установке электролитического конденсатора обязательно совмещайте метки полярности и на детали, и на печатной плате.
Как правило, в радиолюбительских конструкциях допустима замена некоторых конденсаторов на близкие по номиналу. Также допустима замена конденсатора на аналогичный с бОльшим значением допустимого рабочего напряжения. Например, вместо конденсатора 330 мкФ 25В набор можно применить конденсатор 470 мкФ 50В, и это не отразится на работе готовой конструкции.
Сравнение ультразвука и сравнения батареи
У сверхпроводников есть некоторые неоспоримые преимущества по сравнению с ними. 
Максимальное напряжение обычно составляет от 2, 5 до 2, 7 вольт.
. Из приведенных выше пунктов очевидны возможности использования и замены батарей ультраконденсаторами. Это, например, очень мощные электродвигатели, например, используемые сегодня в электромобилях или даже чаще в поездах и катерах, то есть производительность не только десятков, но и десятков кВт.
Внешний вид электролитического конденсатора (правильно установленный на плату конденсатор)
Керамические конденсаторы являются естественным элементом практически любой электронной схемы. Они применяются там, где необходимы способность работать с сигналами меняющейся полярности, хорошие частотные характеристики, малые потери, незначительные токи утечки, небольшие габаритные размеры и низкая стоимость. Там же, где подобные требования пересекаются, керамические конденсаторы практически незаменимы. Но проблемы, связанные с технологией их производства, отводили этому типу конденсаторов, в основном, нишу устройств малой емкости. Действительно, керамический конденсатор на 10 мкФ еще недавно воспринимался как удивительная экзотика, и стоило такое чудо как горсть алюминиевых электролитических тех же емкости и напряжения, либо как несколько аналогичных танталовых.
С помощью ультраконденсаторов эти высокоточные наконечники для отбора проб, например, при запуске электродвигателей, могут быть легко закрыты, а двигатель подключен к значительно более слабым источникам питания. Однако также возможно использовать его в качестве «краткосрочного источника» для устройств с постоянной подписью, которые, к примеру, в большинстве случаев подключены к постоянному источнику питания. но требуется полная резервная копия питания, например, в течение 15 минут. На самом деле это не имеет особого значения для ультраконденсаторов.
Однако, развитие технологий позволило сразу нескольким фирмам к настоящему времени сразу нескольким фирмам заявить о достижении их керамическими конденсаторами емкости в 100 мкФ и анонсировать начало производства еще больших значений еще до конца этого года. А сопровождающее этот процесс непрерывное падение цен на все изделия данной группы заставляет внимательнее присмотреться ко вчерашней экзотике, чтоб не отстать от технического прогресса и сохранить конкурентоспособность.
Кроме того, они обычно требуют гораздо меньше места и могут быть легко подключены к печатным платам. Другими типичными приложениями являются приложения типа микротурбины, запуск топливных элементов, выработка энергии на буровых платформах, газонаполнительные станции, больницы и т.д. Запуск двухцилиндровых двигателей внутреннего сгорания для привода генераторов, восстановление энергии для эффективного восстановления энергии при торможении больших транспортных средств и железнодорожных перевозок, или хранения электроэнергии из фотопроводника и при необходимости ее обеспечения.
Несколько слов о технологиях. Говоря о керамических конденсаторах, мы будем рассматривать многослойные керамические конденсаторы. На рис.1 представлена структура такого конденсатора, а на рис.2 фотография сильно увеличенного среза изделия одного из мировых лидеров их производства - японской фирмы Murata
Принцип работы и структура ультраконденсаторов
Ультраконденсаторы используют другую структуру, чем связанные с ними электролитические конденсаторы. Они не используют обычный диэлектрик, а электролит расположен между двумя активными электродами. Таким образом, в этой системе используется явление, называемое электрическим двойным слоем, где хранение заряда основано на распределении и соединении ионов электролизом электролита на электродах. Более конкретно, это структура, состоящая из одной или нескольких молекул с тонким слоем на границе раздела между электролитом и электродом, которая создает границу раздела между положительно заряженными «дырами» и отрицательно заряженными ионами и катодом электронных и положительных электронных интерфейсов.
Их емкость определяется формулой:
, (1)
где
ε 0 - константа диэлектрической проницаемости вакуума,
ε - константа диэлектрической проницаемости используемой в качестве диэлектрика керамики,
S 0 - активная площадь одного электрода,
n - число слоев диэлектрика,
d - толщина слоя диэлектрика.
Ионы переносятся изнутри структуры после того, как напряжение подается на внешние электроды. Созданные два интерфейса создают конденсатор, потому что положительные и отрицательные заряды соответствуют друг другу в зеркале. Поскольку расстояние между ними составляет всего 1 нм, и поскольку общая емкость конденсаторной емкости пропорциональна инвертированному значению расстояния, она во много раз выше, чем, например, электролитический конденсатор.
Дальнейшее увеличение емкости происходит путем надлежащего изменения структуры структуры. Поэтому рекомендуется увеличить площадь в максимально возможной степени. В этом отношении здесь используются новые нанотехнологии в виде так называемого активного углерода, а именно углеродных нанотрубок или сферических форм, которые имеют одинаковые свойства. В то время как в случае электролитических конденсаторов проблема наибольшей поверхности электрода решается путем прокатки длинной полосы электродной структуры с диэлектриком в валик, он использует во внутреннем объеме ультрадисперсных «рассеянных» наноуглеродных структур, тем самым создавая большую активную поверхность в объеме материала.
Таким образом, увеличения емкости конденсатора можно добиться уменьшением толщины слоев диэлектрика, увеличением числа электродов, их активной площади, увеличением диэлектрической проницаемости диэлектрика.
Уменьшение толщины диэлектрика и связанная с этим возможность увеличения количества электродов - основной способ увеличения емкости керамических конденсаторов. Но снижение толщины диэлектрика приводит с снижению напряжения пробоя. Потому конденсаторы большой емкости трудно найти на высокое рабочее напряжение.
Увеличение числа слоев - процесс технологически связанный с уменьшением толщины единичного слоя. Рис.3 отображает технологические тенденции последних лет в этой области, представленные фирмой Murata.
В одном приближении можно сопоставить полный мешок с рисом, в котором каждое зерно имеет свою собственную поверхность, а сумма поверхностей всех зерен значительно больше, чем внешняя поверхность мешка, в который он обернут. Поскольку поверхность каждого наноуглеродного «шарика» работает как электрод, который генерирует вышеупомянутый интерфейс заряда, общая сумма поверхности огромна, и из нее также получается огромная емкость ультраконденсатора. Это может быть порядка многих тысяч Фарадов. Однако для того, чтобы электролит с ионами достигнет всех мест, структура должна быть очень пористой, но для этой цели она используется.
Увеличение активной площади одного электрода - это увеличение габаритных размеров конденсатора - крайне неприятное явление, приводящее к резкому росту стоимости изделия.
Увеличение диэлектрической проницаемости при заметном увеличении емкости приводит к существенному ухудшению температурной стабильности и сильной зависимости емкости от приложенного напряжения.
Теперь рассмотрим возможности и особенности применения керамических конденсаторов большой емкости. Перед началом обсуждения стоит обратить внимание на уже имеющиеся предложения и ближайшие планы лидеров отрасли фирм Murata и Samsung Electro-Mechanics, представленные ниже.
Например, часто используются сферические наноструктуры диаметром от 0, 4 до 50 нм, разделенные на одно - или многостенные углеродные трубки. Электрический двойной слой затем формируется на поверхности электрода, где он контактирует с электролитом. Электроды выполнены в виде очень пористого материала в виде порошка или наноструктур. Пористый алюминий затем используется на первичных «коллекторных электродах» конденсатора, а электролит, который расположен между активированными углеродными наноструктурами, часто используется в жидкой форме при нормальной температуре.
Благодаря низкому давлению испарения он также обладает высокой огнестойкостью. Таким образом, полная структура обладает очень легким весом, компактными размерами и большей устойчивостью к условиям окружающей среды, чем, например, батареи. Сверхконденсаторная схема замены в более простой форме.
Кроме того, влияние температуры и изнашивания конденсатора отрицательно сказывается на разряде. Однако при первом использовании их электроды должны иметь постоянный положительный и отрицательный полюс. Поскольку конденсаторы обычно тестируются производителем в производстве, они аналогичным образом продаются как поляризованные конденсаторы, такие как электролитические конденсаторы, и даже когда они разряжаются, они все еще имеют небольшую сумму заряда. На практике, однако, они обычно несут разряд до -2, 5 В без постоянного повреждения.
Естественной областью применения подобного спектра керамических конденсаторов большой емкости может быть замена ими танталовых и алюминиевых конденсаторов для поверхностного монтажа в схемах подавления пульсаций, разделения постоянной и переменной составляющих электрического сигнала, интегрирующих цепочках. Однако, при этом необходимо учитывать принципиальные различия между этими группами деталей, делающие, в большинстве случаев, бессмысленными замены типа: электролитический конденсатор номиналx напряжения на аналогичные номиналx напряжение керамического конденсатора. Рассмотрим коротко основные причины этого.
Частотные свойства конденсаторов определяет зависимость их импеданса и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR)от частоты. Типичные зависимости такого рода для керамических, танталовых и алюминиевых конденсаторов приведены на рис.4 и рис.5.
Таким образом, для обеспечения одинакового с танталовым конденсатором в 10 мкФ уровня подавления пульсаций частотой 1 МГц можно использовать керамический конденсатор емкостью 1,0-2,2 мкФ. Экономия места на плате и денег очевидна.
Низкое эквивалентное последовательное сопротивление и связанные с ним малые потери позволяют значительно сильнее нагружать керамические конденсаторы, нежели электролитические, несмотря на их значительно более скромные габаритные размеры, не вызывая при этом критического для детали разогрева. Сравнительные кривые разогрева конденсаторов токами пульсации различной частоты приведены на рис.6.
Еще одним и немалым плюсом керамических конденсаторов является их способность кратковременно держать высокие напряжения перегрузки, многократно превышающие номинальные. Тот, кто выбирал сглаживающие конденсаторы для импульсных источников питания, знает как это важно! Ибо там в моменты запуска и выключения могут генерироваться импульсы до нескольких значений выходного напряжения, заставляя использовать электролитические конденсаторы с большим запасом по напряжению.
Сравнительную характеристику напряжения пробоя для различных типов конденсаторов по результатам тестов, проведенных фирмой Murata, приведены на рис.7
Теперь несколько слов о грустном. При всех своих достоинствах, керамические конденсаторы большой емкости производятся с использованием диэлектриков типа X7R/X5R и Y5V. Их отличительной особенностью является сильная зависимость диэлектрической проницаемости, а с ней, согласно (1), и емкости от температуры и приложенного напряжения. Типичные зависимости такого рода для конденсаторов разных типов показаны на рисунках 8 и 9.
Из них видим, что при достаточно жестких требованиях к стабильности номинала, например во времязадающих цепях, или при развязке постоянной и переменной составляющих, на замену электролитическим конденсаторам можно рекомендовать только керамические с диэлектриками X5R/X7R, последний из которых может оказаться еще более интересным, если принять во внимание его допустимый диапазон рабочих температур: -55°С +125°С, позволяющий ему найти применение как в аппаратуре, рассчитанной на работу на улице в условиях севера, так и в автомобильной технике, с ее жесткими требованиями к сохранению работоспособности при высоких температурах.
Однако, для сглаживающего конденсатора стабильность номинала не является критическим параметром. Потому можно рассчитывать на высокую востребованность и емкостей на основе менее стабильной керамики Y5V, из которой можно получить детали меньшего габарита и стоимости.
Валерий Степуков
