Конденсатор. Принцип работы, основные характеристики.

Конденсатор — распространенный двухполюсный электронный компонент, главным свойством которого является способность накапливать электрический заряд и «отпускать» его обратно. Процесс накопления заряда называется зарядкой, а процесс его потери – разрядкой.

Выпускаются конденсаторы самых разных типов и конструкций. Наиболее распространены в электронике и любительской радиотехнике следующие виды:

• Керамические конденсаторы
• Танталовые конденсаторы
• Электролитические конденсаторы
• Конденсаторы переменной емкости

При включении в цепь электролитических конденсаторов необходимо соблюдать полярность. Отрицательный контакт, обычно, короче положительного и дополнительно может обозначаться соответствующими пометками на корпусе. Для керамических конденсаторов полярность подключения не имеет значения.

В простейшем виде конденсатор состоит их двух металлических пластин, называемых обкладками, которые разделены слоем диэлектрика.

При включении конденсатора в цепь с источником тока, под воздействием электрического поля на одной обкладке накапливается положительный заряд, а на другой – отрицательный. Это будет происходить до тех пор, пока на обкладках не накопится максимально возможное количество заряда. Оно определяется важной характеристикой конденсатора — емкостью. Емкость конденсатора определяется количеством заряда, которое он может накопить при заданном напряжении:

Формула емкости.

C — емкость конденсатора, q — заряд, U — напряжение.

Емкость зависит от таких физических характеристик, как, например, площадь обкладок, расстояние между ними и диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Единицей измерения емкости конденсаторов в международной системе единиц (СИ) является Фарад (Ф).

Чем больше ёмкость, тем больший заряд может удерживать конденсатор при заданном напряжении, и тем меньше скорость его зарядки и разрядки.

Основные параметры конденсаторов:

• Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками. Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до тысяч микрофарад. Однако существуют конденсаторы (ионисторы) с ёмкостью до десятков фарад.
• Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью — отношением ёмкости к объёму (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя.
• Плотность энергии электролитического конденсатора зависит от конструктивного исполнения. Максимальная плотность достигается у больших конденсаторов, где масса корпуса невелика по сравнению с массой обкладок и электролита.
• Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах. Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается, что связано с увеличением тепловой скорости движения носителей заряда и, соответственно, снижению требований для образования электрического пробоя.
• Полярность. Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса.

Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность ёмкости, величину потерь и др.

По виду диэлектрика различают:

• Конденсаторы вакуумные (между обкладками находится вакуум).
• Конденсаторы с газообразным диэлектриком.
• Конденсаторы с жидким диэлектриком.
• Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок.
• Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные — бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок.
• Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов, прежде всего, большой удельной ёмкостью. В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металлическом аноде. Вторая обкладка (катод) — это или электролит (в электролитических конденсаторах), или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесённый непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги или спечённого порошка. Время наработки на отказ типичного электролитического конденсатора 3000-5000 часов при максимально допустимой температуре, качественные конденсаторы имеют время наработки на отказ не менее 8000 часов при температуре 105°С. Рабочая температура — основной фактор, влияющий на продолжительность срока службы конденсатора. Если нагрев конденсатора незначителен из-за потерь в диэлектрике, обкладках и выводах, (например, при использовании его во времязадающих цепях при небольших токах или в качестве разделительных), можно принять, что интенсивность отказов снижается вдвое при снижении рабочей температуры на каждые 10 °C вплоть до +25 °C. Твердотельные конденсаторы — вместо традиционного жидкого электролита используется специальный токопроводящий органический полимер или полимеризованный органический полупроводник. Время наработки на отказ ~50000 часов при температуре 85°С. ЭПС меньше чем у жидко-электролитических и слабо зависит от температуры. Не взрываются.

Последовательное соединение конденсаторов.

При последовательном соединении конденсаторов уменьшается общая емкость и увеличивается общее напряжение конденсаторов. Общая емкость при последовательном соединении конденсаторов будет вычисляться по формуле:

Общее напряжение будет равняться сумме напряжений всех конденсаторов.

Например: мы имеем три конденсатора по 30 мкФ x 100 В каждый. При их последовательном соединении общий конденсатор будет иметь следующие данные: 10 мкФ x 300 В.

Параллельное соединение конденсаторов.

При параллельном соединении общая емкость конденсаторов складывается, а допустимое напряжение всего набора будет равно напряжению конденсатора, имеющего самое низкое значение допустимого напряжения из всего набора.

Например: мы имеем три конденсатора 30 мкФ x 100 В, соединённые параллельно. Параметры всего набора конденсаторов в этом случае будут следующие: 90 мкФ x 100 В.

Соединение более двух конденсаторов последовательно редко встречается в реальных схемах. Хотя для увеличения общего напряжения такой набор может встретиться в высоковольтных источниках питания. А вот в низковольтных источниках довольно часто встречается параллельное соединение нескольких конденсаторов для сглаживания пульсаций после выпрямления при больших токах потребления.

Обратите внимание, формулы вычисления емкости последовательного и параллельного соединения конденсаторов в точности обратны формулам вычисления сопротивления при последовательном и параллельном соединении резисторов.

Понравилась статья? Не забудь поделиться с друзьями в соц. сетях. А также подписаться на наш канал на YouTube, вступить в группу Вконтакте, в группу на Facebook.

До встречи в следующем уроке. Спасибо за внимание!

Технологии начинаются с простого!