Как выбрать конденсатор?

Время чтения: 15 минут

Конденсатор (от лат. condensatio - «накопление»), а если быть точным, то его ранний предшественник - «лейденская банка», был изобретён сравнительно давно - в 1745 году в голландском городе Лейден учёным Питером ван Мушенбрук.

Им стал стеклянный сосуд - банка, внутренняя и наружная поверхность которой были обложены тонколистовым оловом. Эти металлические обкладки и служат конденсаторными электродами, разделёнными диэлектрическим корпусом банки.

Они накапливают на своих обкладках заряд электроэнергии, полученный, допустим, от электрофорной машины, хорошо всем известной из школьных уроков физики.

Это событие ознаменовало начало нового этапа эволюции теоретической электродинамики и её практической стороны - электротехники, которые впоследствии развились до такого раздела науки как электроника.

На рисунке изображена модель простого плоского конденсатора, который лежит в основе всех существующих компонентов. Конструктивно он очень прост, состоит (как минимум) из двух обкладок, разделённых слоем диэлектрика.

Принцип работы тоже несложен и заключается в том, что при подведении к обкладкам разноимённых зарядов, т.е. заряде конденсатора, они накапливаются, благодаря образующемуся между обкладками электрическому полю. При разряде конденсатора накопленная энергия возвращается в электрическую цепь.

Так как этот элемент нужен для накопления электричества, то логично предположить, что основной его характеристикой, показывающей, насколько много может накапливаться электроэнергии, стала электрическая ёмкость, обозначаемая литерой C.

Единицей её измерения выбран фарад (Ф, F), названной в честь английского ученого-электродинамика Майкла Фарадея. Если электрический заряд Q величиной в 1 кулон, образует между обкладками разность потенциалов V в 1В, то величина C будет равно 1 фарад:

Ёмкость прямо пропорциональна площади обкладки и находится в обратной пропорции от толщины диэлектрика:

, где ε - диэлектрическая способность среды, разделяющей обкладки (диэлектрика); ε0 - значение электрической постоянной, равняющейся ~8,854*10-12 Ф/м; A - площадь обкладки; d - расстояние между обкладками (толщина диэлектрика). Диэлектрическая проницаемость используемых материалов представлена в таблице:

Оно удивительным образом схоже с его конструкцией и состоит из двух параллельных линий - «обкладок». Так же как в формулах электрическая ёмкость обозначается литерой C, так и на принципиальных схемах он отображается аналогично:

На рисунке изображены следующие основные типы конденсаторов:

Подробнее о различных типах этих радиодеталей будет описано в следующем разделе.

Рядом с условным изображением обязательным образом указывается базовая характеристика - электрическая ёмкость. Так как фарад - относительно крупная единица, то обозначение, как правило, производится в его долях:

Помимо обозначения ёмкости, может присутствовать указание максимального рабочего напряжения. Как правило, оно присутствует у электролитических и высоковольтных моделей, где этот параметр особенно важен.

В разделе будет описано несколько типов приборов. Важнейший критерий разделения на типы - конструктивное исполнение и используемый материал диэлектрика.

Это наиболее распространённый тип. Полярности у него нет. В качестве обкладок используется металлическая фольга, либо металлизационное напыление, а в качестве изоляции полимерная плёнка, слюда, керамика и т.п. Бумажный изолятор, как правило, пропитывается маслом для улучшения диэлектрических свойств. Его ёмкость от нескольких пФ до мкФ и рабочее напряжение от десятков вольт до десятков киловольт. Демонстрирует среднюю удельную ёмкость (т. е. её значение на единицу массы/объёма).

Это тоже повсеместно устанавливаемый тип устройств. Он полярен (за исключением неполярных образцов, применяемых в цепях переменного тока).

В качестве анода (положительного электрода) применяется алюминиевая фольга, катода (отрицательного электрода) - гелеобразный или жидкий электролит, а изолятором служит тончайшая оксидная плёнка, образуемая на поверхности анода в результате химического действия на него электролита. Его ёмкость от долей мкФ до нескольких Ф и рабочее напряжение от нескольких до сотен вольт. Благодаря сверхтонкому изолирующему слою показывает высокую удельную ёмкость.

Для её ещё большего повышения (т.е. и для увеличения степени миниатюризации) в конструкции применён металлический тантал или ниобий. Такая разновидность приборов обладает сравнительно невысоким поддерживаемым напряжением, не превышающим, обычно, 50В, но демонстрирует высокую надежность, долговечность и временну́ю стабильность параметров.

Следует особо отметить подверженность «электролитов» старению, т.е. ухудшению важнейшего параметра - его ёмкости. Особенно это становится заметно у дешёвых изделий, срок службы которых может не превышать 3-5 лет. Также к их преждевременному выходу из строя приводит работа в условиях повышенной температуры и импульсных токов высокой частоты. Предельный температурный режим указан на корпусе большинства выводных радиокомпонентов.

К рассматриваемому виду можно отнести как конденсаторы переменной ёмкости (включая подстроечные) с механическим изменением её значений, повсеместно использовавшиеся в радиоприёмной и радиопередающей аппаратуре прошлого века в качестве органа настройки на требуемую частоту, так и применяемые в индукционных и высоковольтных электроустановках детали.

Первые уже практически вышли из употребления и сегодняшней приборостроительной промышленностью не выпускаются, а описание конструкции и назначения вторых выходит за рамки нашей статьи.

Эти приборы отличает необычное свойство - их ёмкостные свойства колеблются в зависимости от приложенного к электродам напряжения, т. е. они выступают конденсаторами переменной ёмкости с её электрическим регулированием.

В качестве диэлектрика в них используется сегнетоэлектрическая керамика, меняющая диэлектрическую проницаемость при изменении напряжённости электрического поля между обкладками.

Его ёмкость от долей пФ до сотен нФ. Характерным недостатком стала ёмкостная нестабильность. В современной радиоэлектронике он используется редко и почти повсеместно вытеснен более совершенным полупроводником - варикапом.

В разделе сжато будут рассмотрены базовые эксплуатационные параметры, которые необходимо учитывать при выборе радиодетали, так как они напрямую влияют на стабильность, надёжность и безопасность построенных с её участием систем.

Эта характеристика для радиокомпонентов этого типа основополагающая, и она определяет величину накопленной энергии. Измеряется в фарадах (Ф, F). У идеального конденсатора это стабильная характеристика, которая зависит только от геометрических размеров (площади) обкладок и толщины изолятора-диэлектрика:

, где ε - диэлектрическая проницаемость изолятора обкладки (диэлектрика); ε0 - электрическая постоянная, равная ~8,854*10-12 Ф/м; A - площадь обкладки; d - расстояние между ними (толщина диэлектрика). Но на практике у нее прослеживается некоторая зависимость от нескольких факторов (температуры (ТКЕ), влажности, частоты тока, особенностей материала и других).

Ёмкость при параллельном соединении складывается:

, а при последовательном вычисляется по формуле:

Оно определяется материалом и толщиной диэлектрического слоя и отражает предельное рабочее напряжение,, при превышении которого произойдет его электрический пробой, появление короткого замыкания либо дугового разряда внутри компонента, т. е. его выход из строя. Это особенно опасно у электролитических версий, т. к. приводит к перегреву, закипанию электролита, повышению давления внутри корпуса вплоть до взрыва.

Во избежание серьезных последствий корпус снабжают предохранительными пробками или насечками, в местах которых происходит излом и разгерметизация, если будет превышено определённое значение внутреннего давления.

ТКЕ - характеристика, в численном виде представляющая зависимость ёмкости от температуры.

В нашем мире всё подчинено законам физики, в том числе и материал-диэлектрик, который под термовоздействием может расширяться и сжиматься, тем самым меняя расстояние между обкладками и ёмкость радиоэлемента.

ТКЕ показывает нам усреднённую линейную зависимость того, как она меняется при изменении внешней температуры на 1°C. Показатель может быть как положительным, так и отрицательным.

Для моделей, не имеющих нормированный ТКЕ, или со сложной нелинейной зависимостью, как правило, ёмкостная девиация приводится в % от номинальной в заданном рабочем диапазоне температур, например, «±10% (20-85°C)».

Конденсаторы обладающие низким ТКЕ называют термостабильными, а высоким отрицательным ТКЕ - термокомпенсированными. Они ставятся в колебательных контурах для повышения стабильности частоты колебаний.

ЭПС - характеристика определяющая величину электросопротивления обкладок, диэлектрика, выводов, включённого последовательно с основной ёмкостью.

ЭПС приводит к рассеиванию мощности и потере энергии при протекании большого переменного или пульсирующего тока через компонент, его нагреву и снижению срока службы.. Но в слаботочных сигнальных цепях ЭСП практически не оказывает негативного влияния на функциональность устройства.

Этот параметр напрямую зависим от качества применяемых материалов для производства, а также в общем случае от типа используемого диэлектрика и ёмкости. В наиболее ответственной аппаратуре необходимо использовать радиоэлементы с как можно более низким эквивалентным последовательным сопротивлением, т. е. так называемые Low ESR-конденсаторы.

Также ЭПС может увеличиваться в течение срока службы прибора из-за жёсткого режима работы (импульсное питание, частый или постоянный нагрев) и деградации материалов, и приводить к его выходу из строя. Особенно часто это встречается на материнских платах компьютеров.

обычно не маркируется на поверхности корпуса, и может быть взят из документации, либо измерен с помощью прибора: допустим, недорогого, но многофункционального измерителя LCR-T4, способного измерять не только ЭПС, но их сопротивление, ёмкость, индуктивность, определять исправность и цоколёвку диодов, транзисторов, симисторов, тиристоров и многое другое.

В этом разделе будут приведены рекомендации по расшифровке обозначений только наиболее часто применяемых керамических и плёночных компонентов. Связано это с тем, что «электролиты», как правило, получают полную маркировку на своём корпусе и не требуют специальных мер по расшифровке информации, а радиокомпоненты для поверхностного монтажа вовсе не содержат никакого ни буквенно-цифрового, ни цветового маркирования, поэтому их эксплуатационные параметры определяются опытным путём.

Например, с помощью высокоточного измерителя RLC XJW01. Фирменные компоненты, имеющие сложную буквенно-цифровую маркировку и цветовую идентификацию, должны расшифровываться с использованием документации производителя.

Маркировка малогабаритных керамических конденсаторов состоит из трёх цифр:

Первые две цифры - номинал в пФ, а третья - множитель (или степень), т. е. сколько раз номинальное значение умножается на 10:

Иногда множитель 0 не маркируется. Тогда маркировка будет тождественна его ёмкости в пФ;

У плёночных компонентов маркировка в большинстве случаев аналогична керамическим. Однако может дополнительно маркироваться предельно допустимое напряжение и допуск, т. е. возможное отклонение ёмкости от номинала, кодируемое латинской литерой:

Таблица маркировки допуска представлена ниже: