Как выбрать конденсатор?

конденсатор как подобрать

Конденсатор - один из простейших двухэлектродных пассивных электронных радиокомпонентов, предназначение которого - накапливать электрический заряд.

Вместе с резисторами, это настоящие столпы электроники - они есть буквально во всех электроприборах. Имея незамысловатый конструктив и работая по простому принципу, но обладая очень длительным периодом развития, этот радиокомпонент играет незаменимую роль в работоспособности подавляющего числа электрических цепей.

Данная статья кратко расскажет, как создавался этот прибор, познакомит с его устройством и принципом работы, условным графическим изображением на схемах. Также будут отражены типовые разновидности конденсаторов, их параметры и будет дана методология расшифровки чаще всего встречающихся маркировок.

Время чтения: 15 минут

История создания

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.

Прикосновение к электродам «лейденской банки» Кюнеусом - учеником Питера ван Мушенбрука, сопровождалось первым в мире прохождением электрозаряда высокого напряжения через тело человека.

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

Основы функционирования конденсатора

Устройство и принцип работы

разновидности конденсаторов

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:

виды конденсаторов и их применение

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

какие существуют типы конденсаторов

, 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:

Наименование материала Характерное значение ε
Вакуум 1
Воздух ~1
Полиэтилен 2,25
Полистирол 2,4÷2,7
Бумага 2,0÷3,5
Керамика 4,5÷4,7
Стекло 4,7
Слюда 9,5

Условное графическое изображение

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:

типы электролитических конденсаторов

На рисунке изображены следующие основные типы конденсаторов:

  • С1 - постоянной ёмкости;
  • С2 - электролитический полярный;
  • С3 - электролитический неполярный;
  • С4 - переменной ёмкости;
  • С5 - переменной ёмкости подстроечный.

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:

Наименование дольной единицы Степень Обозначение
пикофарад 10-12 пФ, pF, p или без обозначения единицы и без дроби после номинала, к примеру, «68»
нанофарад 10-9 нФ, nF или n
микрофарад 10-6 мкФ, mF, μF, μ, uF, u или без обозначения единицы, но с десятичной дробью после номинала, например «0.33». На американских схемах если первый знак номинала 0, то он не пишется. К примеру, «.33» на американских них означает то же, что и «0.33» на европейских и российских.

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

Разновидности конденсаторов

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

Конденсатор с твёрдым диэлектриком

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).

устройство и типы конденсаторов
Конденсатор с плёночным диэлектриком на 100 нФ и 100В на плате импульсного блока питания
как определить тип конденсатора
Конденсаторы с керамическим диэлектриком на 68 пФ, 100 нФ и 330 нФ и 50В
типы пленочных конденсаторов
Конденсаторы для поверхностного монтажа (SMD) с керамическим диэлектриком на 100 нФ и 50В

Конденсатор с оксидным диэлектриком (электролитические, или «электролиты»)

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.

применение керамических конденсаторов
Электролитические конденсаторы на 470 мкФ и 16В
применение конденсаторов
Электролит для поверхностного монтажа (SMD) на 100 мкФ и 16В на плате преобразователя напряжения
танталовые конденсаторы типы
Танталовый SMD-электролит, предназначенный для поверхностного монтажа, на 100 мкФ и 16В на GSM-модуле

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.

Конденсатор с воздушным (вакуумным) диэлектриком

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.

Вариконд

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.

Основные электрические параметры конденсатора

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.

Электрическая ёмкость

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:

конденсатор что такое

, 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:

что представляет собой конденсатор
что делает конденсатор в цепи

, а при последовательном вычисляется по формуле:

что такое микрофарад в конденсаторе
низкий импеданс конденсатора что это

Максимальное рабочее напряжение

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.

Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ, TCC)

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.

Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, ESR)

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

от чего зависит емкость конденсатора

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.

на что влияет емкость конденсатора

Маркировка конденсаторов

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:

можно ли заменить конденсатор на большую емкость

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

как влияет диэлектрик на емкость конденсатора

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

конденсатор устройство и принцип работы

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:

устройство конденсатора

Таблица маркировки допуска представлена ниже:

Литера Допуск, % Литера Допуск, %
B ±0.1 M ±20
C ±0.25 N ±30
D ±0.5 Q −10÷+30
F ±1 S −20÷+50
G ±2 T −10÷+50
J ±5 Y −10÷+100
K ±10 Z −20÷+80
для чего нужен конденсатор в электрической цепи

Разработанный более 280 лет назад конденсатор претерпел значительную эволюцию от «лейденской банки» до новейших миниатюрных элементов с высокой удельной ёмкостью и надёжностью.

Наряду с резистором, это наипростейший, но важный компонент. Но в простоте его конструкции и применения скрыта широчайшая универсальность: практически ни один радиоэлектронный прибор не обходится без конденсаторов. Их можно встретить и в архаичных радиоприемниках и на платах ультрасовременных компьютеров; они «трудятся» на большой глубине в шахтном оборудовании и «летают» в космос.

Можно смело заявить, что, как и резистор, - это основа электротехнических устройств, и отказаться от него в пользу чего-то другого не представляется возможным.

Количество показов: 4694
13.07.2023
Понравилась статья? Поделитесь ей в ваших социальных сетях:

Возврат к списку