Было рассказано об электролитических конденсаторах. В основном они применяются в цепях постоянного тока, в качестве фильтрующих емкостей в выпрямителях. Также без них не обойтись в развязывающих цепочках питания транзисторных каскадов, стабилизаторах и транзисторных фильтрах. При этом, как было сказано в статье, постоянного тока они не пропускают, а на переменном работать вовсе не хотят.
Технические основы конденсаторов
Конденсаторы являются незаменимыми компонентами современной электронной промышленности. Около двух третей всего объема пассивного компонента приходится на конденсаторы. Так что же такое конденсатор? Путешествие в мир конденсаторов начинается со структуры атома. Конденсатор описывает каждое устройство для хранения стационарных электрических зарядов.
Конструкция конденсатора всегда состоит из двух проводящих поверхностей: электродов. Они всегда разделены изоляционным материалом: диэлектриком. Вы можете видеть зависимость между электродами, диэлектрическим материалом и расстоянием между электродами в изображении.
Для цепей переменного тока существуют неполярные конденсаторы, причем, множество их типов говорит о том, что условия работы очень разнообразные. В тех случаях, когда требуется высокая стабильность параметров, а частота достаточно высокая, применяются конденсаторы воздушные и керамические.
К параметрам таких конденсаторов предъявляются повышенные требования. В первую очередь это высокая точность (маленький допуск), а также незначительный температурный коэффициент емкости ТКЕ. Как правило, такие конденсаторы ставятся в колебательных контурах приемной и передающей радиоаппаратуры.
Конденсаторы с воздушным диэлектриком
Они используются для различения мощности и управления работой конденсатора. Емкость конденсатора описывает его способность хранить электрические заряды. Он рассчитывается из постоянной поля, относительной диэлектрической проницаемости используемого диэлектрика, эффективной площади и толщины диэлектрика или разделения между электродами.
В качестве электронного компонента конденсатор способен хранить электрическую энергию, а затем снова выпускает ее. Этот выпуск энергии происходит с определенной скоростью в течение определенного периода времени в зависимости от его конструктивных характеристик.
Если же частота невелика, например, частота осветительной сети или частоты звукового диапазона, то вполне возможно применение бумажных и металлобумажных конденсаторов.
Конденсаторы с бумажным диэлектриком имеют обкладки из тонкой металлической фольги, чаще всего алюминиевой. Толщина обкладок колеблется в пределах 5…10мкм, что зависит от конструкции конденсатора. Между обкладками вложен диэлектрик из конденсаторной бумаги, пропитанной изоляционным составом.
Особенности применения конденсаторов в схемах
Это означает, что конденсатор может принимать различную роль в зависимости от схемы. Будущее развитие конденсаторов включает в себя два основных подхода. Во-первых, это продвижение миниатюризации, чтобы не отставать от растущей плотности интеграции в электронной промышленности.
Во-вторых, конечно, для увеличения емкости. Поскольку конденсатор является потенциальным накопителем энергии, это становится все более привлекательным по мере продвижения технологии. Существует несколько различных типов и конструкций конденсаторов. Конденсаторы с фиксированной емкостью наиболее распространены в современной электронике, хотя существуют конденсаторы с переменной емкостью. Тем не менее, они играют довольно второстепенную роль.
В целях повышения рабочего напряжения конденсатора бумага может быть положена в несколько слоев. Весь этот пакет скручивается, как ковровая дорожка, и помещается в корпус круглого или прямоугольного сечения. При этом, конечно, от обкладок делаются выводы, а корпус такого конденсатора ни с чем не соединен.
Бумажные конденсаторы используются в низкочастотных цепях при больших рабочих напряжениях и значительных токах. Одно из таких очень распространенных применений - включение трехфазного двигателя в однофазную сеть.
Конденсаторы с фиксированной емкостью можно различить по их полярности. Три основных типа конденсаторов с фиксированной емкостью - пленочные, керамические и электролитические. Ниже мы кратко опишем каждое из них. Для более полного обзора различных типов конденсаторов ознакомьтесь с нашим руководством по проектированию.
Как уже упоминалось, не имеют полярности и определенной емкости. Из-за этого пленочные конденсаторы когда-то называются раневыми конденсаторами. Пленочные конденсаторы используют либо бумажную, либо пластиковую пленку для диэлектрического материала. Таким образом, типы пленочных конденсаторов могут быть разбиты на основе используемых материалов.
В металлобумажных конденсаторах роль обкладок выполняет распыленный в вакууме на конденсаторную бумагу тончайший слой металла, все того же алюминия. Конструкция конденсаторов такая же, как и бумажных, правда, габариты намного меньше. Область применения обоих типов примерно одинакова: цепи постоянного, пульсирующего и переменного тока.
Поскольку бумага имеет несколько недостатков, обычно предпочтительны пластиковые пленочные конденсаторы. Керамические конденсаторы также не имеют полярности и фиксированной емкости, но используют керамические материалы для диэлектрического материала. С квадриллионами изготовленных единиц являются преобладающим типом на мировом рынке.
Конденсаторы проводят переменный ток
Конструкция керамических конденсаторов обеспечивает очень низкую конструкцию индуктивности. Керамика, используемая в качестве диэлектрика, может быть разделена на различные классы. Класс 1 Класс 2 Класс 3 Класс 4. . По сути, эти классы отличаются своей относительной диэлектрической проницаемостью, их зависимостью от температуры, их старением и их диэлектрическими потерями. Классы 1 и 2 более распространены; классы 3 и 4 вряд ли имеют сегодня значение.
Конструкция бумажных и металлобумажных конденсаторов, кроме емкости, обеспечивает этим конденсаторам еще и значительную индуктивность. Это приводит к тому, что на какой-то частоте бумажный конденсатор превращается в резонансный колебательный контур. Поэтому такие конденсаторы применяются лишь на частотах не более 1МГц. На рисунке 1 показаны бумажные и металлобумажные конденсаторы, выпускавшиеся в СССР.
Имейте в виду, что керамика более чувствительна к механическим воздействиям, чем другие конструкции. Это следует учитывать как в производстве, так и в самой заявке. В отличие от предыдущих двух типов конденсаторов, электролитические конденсаторы имеют полярность и только один металлический электрод.
Полисульфоновые плёночные конденсаторы
Из-за несимметричной структуры электролитических конденсаторов их электроды можно отличить как анод и катод. Электролитические конденсаторы можно различать на основе двух основных критериев: материала электрода и свойства электролитов. Наиболее распространенным типом электролитического конденсатора является алюминиевый электролиз. Существуют, по существу, два типа алюминиевых электролитических конденсаторов.
Рисунок 1.
Старинные металлобумажные конденсаторы имели свойство самовосстановления после пробоя. Это были конденсаторы типов МБГ и МБГЧ, но теперь их заменили конденсаторы с керамическим или органическим диэлектриком типов К10 или К73.
В некоторых случаях, например, в аналоговых запоминающих устройствах, или по другому, устройствах выборки-хранения (УВХ) к конденсаторам предъявляются особые требования, в частности, малый ток утечки. Тогда на помощь приходят конденсаторы, диэлектрики которых выполнены из материалов с высоким сопротивлением. В первую очередь это фторопластовые, полистирольные и полипропиленовые конденсаторы. Несколько меньшее сопротивление изоляции у слюдяных, керамических и поликарбонатных конденсаторов.
Традиционный алюминиевый электролитический твердый полимер. . Они лучше всего подходят для высокопроизводительных приложений, которые требуют отличной производительности. И вы хорошо используете конденсаторы. Конденсаторы, которые дрейфуют по небу, лучше известны как облака, и, хотя они абсолютно гигантские по сравнению с конденсаторами, которые мы используем в электронике, они точно сохраняют энергию. Давайте более подробно рассмотрим конденсаторы и как они работают!
Реактивное сопротивление конденсатора
Фото: типичный конденсатор, используемый в электронных схемах. Это называется электролитическим конденсатором и рассчитано на 7 мкФ с рабочим напряжением 350 вольт. Фото: небольшой конденсатор в транзисторной радиосхеме. Возьмите два электрических проводника и разделите их изолятором, и вы создадите конденсатор: что-то, что может хранить электрическую энергию. Добавление электрической энергии в конденсатор называется зарядкой; освобождение энергии от конденсатора известно как разрядка.
Эти же конденсаторы используются в импульсных схемах, когда требуется высокая стабильность. В первую очередь для формирования различных временных задержек, импульсов определенной длительности, а также для задания рабочих частот различных генераторов.
Чтобы временные параметры схемы были еще более стабильны, в некоторых случаях рекомендуется использовать конденсаторы с повышенным рабочим напряжением: ничего плохого нет в том, чтобы в схему с напряжением 12В установить конденсатор с рабочим напряжением 400 или даже 630В. Места такой конденсатор займет, конечно, побольше, но и стабильность работы всей схемы в целом тоже увеличится.
Конденсаторы бывают всех форм и размеров, но обычно они имеют одинаковые базовые компоненты. Есть два проводника, и между ними есть изолятор. Две пластины внутри конденсатора подключены к двум электрическим соединениям снаружи, называемым терминалами, которые похожи на тонкие металлические ножки, которые можно подключить к электрической цепи.
Танталовые электролитические конденсаторы
Фото: внутри, электролитический конденсатор немного похож на швейцарский рулон. «Плиты» представляют собой два очень тонких листа металла; диэлектрическая и масляная пластиковая пленка между ними. Все это завернуто в компактный цилиндр и покрыт защитным металлическим корпусом. Во-первых, они могут удерживать очень высокие напряжения. Во-вторых, диэлектрик иногда изготовлен из токсичных или агрессивных химических веществ, которые могут сжигать кожу.
Электрическая емкость конденсаторов измеряется в Фарадах Ф (F), но это величина очень большая. Достаточно сказать, что емкость Земного шара не превышает 1Ф. Во всяком случае, именно так написано в учебниках физики. 1 Фарада это емкость, при которой при заряде q в 1 кулон разность потенциалов (напряжение) на обкладках конденсатора составляет 1В.
Работа: как электролитический конденсатор получается путем прокатки листов из алюминиевой фольги и диэлектрического материала. Листы фольги соединены с выводами сверху, поэтому конденсатор может быть подключен к цепи. Вы можете зарядить конденсатор, просто подключив его к электрической цепи. Когда вы включаете питание, электрический заряд постепенно нарастает на пластинах. Одна пластина получает положительный заряд, а другая пластина получает равный и противоположный заряд. Если вы отключите питание, конденсатор держит заряд.
Но если вы подключите конденсатор ко второй цепи, содержащей что-то вроде электродвигателя или вспышки, заряд будет протекать от конденсатора через двигатель или лампу, пока на пластинах не останется. Несмотря на то, что конденсаторы эффективно выполняют только одну задачу, их можно использовать для различных видов использования в электрических цепях. Они могут использоваться как устройства синхронизации, такие как фильтры, для сглаживания напряжения в контурах, для настройки и для других целей. Большие суперконденсаторы также могут использоваться вместо батарей.
Из только что сказанного следует, что Фарада величина очень большая, поэтому на практике чаще используются более мелкие единицы: микрофарады (мкФ, µF), нанофарады (нФ, nF) и пикофарады (пФ, pF). Эти величины получаются с помощью использования дольных и кратных приставок, которые показаны в таблице на рисунке 2.
Количество электрической энергии, которую может хранить конденсатор, называется ее емкостью. Емкость конденсатора немного напоминает размер ковша: чем больше ведро, тем больше воды он может хранить; Чем больше емкость, тем больше электроэнергии может хранить конденсатор. Существует три способа увеличить емкость конденсатора. Один из них - увеличить размер пластин. Другим является перемещение пластин ближе друг к другу. Третий способ - сделать диэлектрик максимально хорошим изолятором. Конденсаторы используют диэлектрики, изготовленные из всех видов материалов.
Рисунок 2.
Современные детали становятся все меньше, поэтому не всегда удается на них нанести полную маркировку, все чаще пользуются различными системами условных обозначений. Все эти системы в виде таблиц и пояснений к ним можно найти в интернете. На конденсаторах, предназначенных для SMD монтажа, чаще всего не ставится вообще никаких обозначений. Их параметры можно прочитать на упаковке.
Список использованной литературы
В транзисторных радиостанциях тюнинг выполняется с помощью большого переменного конденсатора, который не имеет ничего, кроме воздуха между его пластинами. В большинстве электронных схем конденсаторы представляют собой герметичные компоненты с диэлектриками из керамики, такими как слюда и стекло, бумага, пропитанная маслом, или пластмассы, такие как майлар.
Бумажные и металлобумажные конденсаторы
Фото: этот переменный конденсатор подключен к основному колесу настройки в транзисторном радио. Когда вы поворачиваете циферблат пальцем, вы поворачиваете ось через конденсатор. Это вращает набор тонких металлических пластин, чтобы они в большей или меньшей степени перекрывались с другим набором пластин, проложенных между ними. Степень перекрытия между пластинами изменяет емкость и то, что настраивает радио на определенную станцию.
Для того, чтобы выяснить, как ведут себя конденсаторы в цепях переменного тока, предлагается проделать несколько простейших опытов. При этом, каких-то особых требований к конденсаторам не предъявляется. Вполне подойдут самые обычные бумажные или металлобумажные конденсаторы.
Конденсаторы проводят переменный ток
Чтобы убедиться в этом воочию, достаточно собрать несложную схему, показанную на рисунке 3.
Как измерить емкость?
Размер конденсатора измеряется в единицах, называемых фарадами, названных в честь английского пионера Майкла Фарадея. Один фарад - это огромная емкость, поэтому на практике большинство конденсаторов, с которыми мы сталкиваемся, это всего лишь фракции фарада - типично микрофарады, нанофарады и пикофарады. Суперконденсаторы хранят гораздо большие заряды, иногда оцениваемые тысячами фарадов.
Почему конденсаторы хранят энергию?
Если вы обнаружите, что конденсаторы таинственны и странны, и они на самом деле не имеют для вас смысла, попробуйте вместо этого подумать о гравитации. Предположим, вы стоите на дне некоторых шагов, и вы решили начать лазание. Вы должны вздымать свое тело против гравитации Земли, что является привлекательной силой. Как говорят физики, вам нужно «делать работу», чтобы подняться по лестнице и использовать энергию. Энергия, которую вы используете, не потеряна, а сохранена вашим телом как гравитационной потенциальной энергией, которую вы могли бы использовать, чтобы делать другие вещи.
Рисунок 3.
Сначала надо включить лампу через конденсаторы C1 и C2, соединенные параллельно. Лампа будет светиться, но не очень ярко. Если теперь добавить еще конденсатор C3, то свечение лампы заметно увеличится, что говорит о том, что конденсаторы оказывают сопротивлению прохождению переменного тока. Причем, параллельное соединение, т.е. увеличение емкости, это сопротивление снижает.
Алюминиевые электролитические конденсаторы
То, что вы делаете, когда вы поднимаетесь по ступеням, лестницам, горам или чему-либо еще, - это работа с гравитационным полем Земли. В конденсаторе происходит очень схожая вещь. Если у вас есть положительный электрический заряд и отрицательный электрический заряд, они привлекают друг друга, как противоположные полюса двух магнитов - или как ваше тело и Земля. Если вы их раздвигаете, вам нужно «работать» с этой электростатической силой. Опять же, как и при шагах лазания, энергия, которую вы используете, потеряны, но хранятся по обвинению по мере их отделения.
Отсюда вывод: чем больше емкость, тем меньше сопротивление конденсатора прохождению переменного тока. Это сопротивление называется емкостным и в формулах обозначается как Xc. Еще Xc зависит от частоты тока, чем она выше, тем меньше Xc. Об этом будет сказано несколько позже.
Другой опыт можно проделать используя счетчик электроэнергии, предварительно отключив все потребители. Для этого надо соединить параллельно три конденсатора по 1мкФ и просто включить их в розетку. Конечно, при этом надо быть предельно осторожным, или даже припаять к конденсаторам стандартную штепсельную вилку. Рабочее напряжение конденсаторов должно быть не менее 400В.
После этого подключения достаточно просто понаблюдать за счетчиком, чтобы убедиться, что он стоит на месте, хотя по расчетам такой конденсатор эквивалентен по сопротивлению лампе накаливания мощностью около 50Вт. Спрашивается, почему не крутит счетчик? Об этом тоже будет рассказано в следующей статье.
— это электрический (электронный) компонент, построенный из двух проводников (обкладок), разделенные между собой слоем диэлектрика. Различают много видов конденсаторов и в основном они делятся по материалу самих обкладок и по виду используемого диэлектрика между ними.
Виды конденсаторов
Бумажные и металлобумажные конденсаторы
У бумажного конденсатора диэлектриком, разделяющим фольгированные обкладки, является специальная конденсаторная бумага. В электронике бумажные конденсаторы могут применяться как в цепях низкой частоты, так и в высокочастотных цепях.
Хорошим качеством электрической изоляции и повышенной удельной емкостью обладают герметичные металлобумажные конденсаторы, у которых вместо фольги (как в бумажных конденсаторах) используется вакуумное напыление металла на бумажный диэлектрик.
Бумажный конденсатор не имеет большую механическую прочность, поэтому его начинку помещают в металлический корпус, служащий механической основой его конструкции.
Электролитические конденсаторы
В электролитических конденсаторах, в отличии от бумажных, диэлектриком является тонкий слой оксида металла, образованный электрохимическим способом на положительной обложке из того же металла.
Вторую обложку представляет собой жидкий или сухой электролит. Материалом, создающим металлический электрод в электролитическом конденсаторе, может быть, в частности, алюминий и тантал. Традиционно, на техническом жаргоне «электролитом» называют алюминиевые конденсаторы с жидким электролитом.
Но, на самом деле, к электролитическим так же относятся и танталовые конденсаторы с твердым электролитом (реже встречаются с жидким электролитом). Почти все электролитические конденсаторы поляризованы, и поэтому они могут работать только в цепях с постоянным напряжением с соблюдением полярности.
В случае инверсии полярности, может произойти необратимая химическая реакция внутри конденсатора, ведущая к разрушению конденсатора, вплоть до его взрыва по причине выделяемого внутри него газа.
К электролитическим конденсаторам так же относится, так называемые, суперконденсаторы (ионисторы) обладающие электроемкостью, доходящей порой до нескольких тысяч Фарад.
Алюминиевые электролитические конденсаторы
В качестве положительного электрода используется алюминий. Диэлектрик представляет собой тонкий слой триоксида алюминия (Al 2 O 3),
Свойства:
- они работают корректно только на малых частотах
- имеют большую емкость
Характеризуются высоким соотношением емкости к размеру: электролитические конденсаторы обычно имеют большие размеры, но конденсаторы другого типа, одинаковой емкости и напряжением пробоя были бы гораздо больше по размеру.
Характеризуются высокими токами утечки,
имеют умеренно низкое сопротивление и индуктивность.
Танталовые электролитические конденсаторы
Это вид электролитического конденсатора, в которых металлический электрод выполнен из тантала, а диэлектрический слой образован из пентаоксида тантала (Ta 2 O 5).
Свойства:
- высокая устойчивость к внешнему воздействию,
- компактный размер: для небольших (от нескольких сотен микрофарад), размер сопоставим или меньше, чем у алюминиевых конденсаторов с таким же максимальным напряжением пробоя,
- меньший ток утечки по сравнению с алюминиевыми конденсаторами.
Полимерные конденсаторы
В отличие от обычных электролитических конденсаторов, современные твердотельные конденсаторы вместо оксидной пленки, используемой в качестве разделителя обкладок, имеют диэлектрик из полимера. Такой вид конденсатора не подвержен раздуванию и утечки заряда.
Физические свойства полимера способствуют тому, что такие конденсаторы отличаются большим импульсным током, низким эквивалентным сопротивлением и стабильным температурным коэффициентом даже при низких температурах.
Полимерные конденсаторы могут заменять электролитические или танталовые конденсаторы во многих схемах, например, в фильтрах для импульсных блоков питания, или в преобразователях DC-DC.
Пленочные конденсаторы
В данном виде конденсатора диэлектриком является пленка из пластика, например, полиэстер (KT, MKT, MFT), полипропилен (KP, MKP, MFP) или поликарбонат (KC, MKC).
Электроды могут быть напыленными на эту пленку (MKT, MKP, MKC) или изготовлены в виде отдельной металлической фольги, сматывающейся в рулон или спрессованной вместе с пленкой диэлектрика (KT, KP, KC). Современным материалом для пленки конденсаторов является полифениленсульфид (PPS).
Общие свойства пленочных конденсаторов (для всех видов диэлектриков):
- работают исправно при большом токе
- имеют высокую прочность на растяжение
- имеют относительно небольшую емкость
- минимальный ток утечки
- используется в резонансных цепях и в RC-снабберах
Отдельные виды пленки отличаются:
- температурными свойствами (в том числе со знаком температурного коэффициента емкости, который является отрицательным для полипропилена и полистирола, и положительным для полиэстера и поликарбоната)
- максимальной рабочей температурой (от 125 °C, для полиэстера и поликарбоната, до 100 °C для полипропилена и 70 °С для полистирола)
- устойчивостью к электрическому пробою, и следовательно максимальным напряжением, которое можно приложить к определенной толщине пленки без пробоя.
Конденсаторы керамические
Этот вид конденсаторов изготавливают в виде одной пластины или пачки пластин из специального керамического материала. Металлические электроды напыляют на пластины и соединяют с выводами конденсатора. Используемые керамические материалы могут иметь очень разные свойства.
Разнообразие включает в себя, прежде всего, широкий диапазон значений относительной электрической проницаемости (до десятков тысяч, и такая величина имеется только у керамических материалов)
Столь высокое значение проницаемости позволяет производить керамические конденсаторы (многослойные) небольших размеров, емкость которых может конкурировать с емкостью электролитических конденсаторов, и при этом работающих с любой поляризацией и характеризующихся меньшими утечками.
Керамические материалы характеризуются сложной и нелинейной зависимостью параметров от температуры, частоты, напряжения. В виду малого размера корпуса — данный вид конденсаторов имеет особую .
Конденсаторы с воздушным диэлектриком
Здесь диэлектриком является воздух. Такие конденсаторы отлично работают на высоких частотах, и часто выполняются как конденсаторы переменной емкости (для настройки).
