Что такое конденсатор и как он работает?
Если вы рассмотрите печатную плату даже самого простого электронного устройства, то обязательно увидите конденсатор, а чаще всего встретите множество этих элементов. Присутствие этих изделий на различных электронных схемах объясняется свойствами данных радиоэлементов, широким диапазоном функций, которые они выполняют.
В настоящее время промышленность поставляет на рынок конденсаторную продукцию различных видов (рис. 1). Параметры изделий варьируются в широких пределах, что позволяет легко подобрать радиодеталь для конкретной цели.
Рис. 1. Распространённые типы конденсаторов
Рассмотрим более подробно конструкции и основные параметры этих вездесущих радиоэлементов.
Что такое конденсатор?
В классическом понимании конденсатором является радиоэлектронное устройство, предназначенное для накопления энергии электрического поля, обладающее способностью накапливать в себе электрический заряд, с последующей передачей накопленной энергии другим элементам электрической цепи. Устройства очень часто используют в различных электрических схемах.
Конденсаторы способны очень быстро накапливать заряд и так же быстро отдавать всю накопленную энергию. Для их работы характерна цикличность данного процесса. Величина накапливаемого электричества и периоды циклов заряда-разряда определяется характеристиками изделий, которые в свою очередь зависят от типа модели. Параметры этих величин можно определить по маркировке изделий.
Конструкция и принцип работы
Простейшим конденсатором являются две металлические пластины, разделённые диэлектриком. Выступать в качестве диэлектрика может воздушное пространство между пластинами. Модель такого устройства изображена на рис. 2.
Если на конструкцию подать постоянное напряжение, то образуется кратковременная замкнутая электрическая цепь. На каждой металлической пластине сконцентрируются заряды, полярность которых будет соответствоать полярности приложенного тока. По мере накопления зарядов ток будет ослабевать, и в определенный момент цепь разорвётся. В нашем случае это произойдёт молниеносно.
При подключении нагрузки накопленная энергия устремится через нагрузочный элемент в обратном направлении. Произойдёт кратковременный всплеск электрического тока в образованной цепи. Количество накапливаемых зарядов (ёмкость, C) прямо зависит от размеров пластин.
Конструкции современных конденсаторов отличаются от рассматриваемой нами модели. С целью увеличения ёмкости вместо пластин используют обкладки из алюминиевой, ниобиевой либо танталовой фольги, разделённой диэлектриками. Эти слоеные ленты туго сворачивают в цилиндр и помещают в цилиндрический корпус. Принцип работы не отличается от описанного выше.
Существуют также плоские конденсаторы, конструктивно состоящие из множества тонких обкладок, спрессованных между слоями диэлектрика в форме параллелепипеда. Такие модели можно представить себе в виде стопки пластин, образующих множество пар обкладок, соединённых параллельно.
В качестве диэлектриков применяют:
Отдельную группу составляют изделия, у которых одна обкладка выполнена из металла, а в качестве второй выступает электролит. Это класс электролитических конденсаторов (пример на рисунке 3 ниже). Они отличаются от других типов изделий большой удельной ёмкостью. Похожими свойствами обладают оксидно-полупроводниковые модели. Второй анод у них – это слой полупроводника, нанесённый на изолирующий оксидный слой.
Рис. 3. Конструкция радиального электролитического конденсатора
Электролитические модели, а также большинство оксидно-полупроводниковых конденсаторов имеют униполярную проводимость. Их эксплуатация допустима лишь при наличии положительного потенциала на аноде и при номинальных напряжениях. Поэтому следует строго соблюдать полярность подключения упомянутых радиоэлектронных элементов.
На корпусе такого прибора обязательно указывается полярность (светлая полоска со значками «–», см. рис. 4) или значок «+» со стороны положительного электрода на корпусах старых отечественных конденсаторов.
Рисунок 4. Обозначение полярности выводов
Срок службы электролитического конденсатора ограничен. Эти приборы очень чувствительны к высоким напряжениям. Поэтому при выборе радиоэлемента старайтесь, чтобы его рабочее напряжение было значительно выше номинального.
Свойства
Из описания понятно, что для постоянного тока конденсатор является непреодолимым барьером, за исключением случаев пробоя диэлектрика. В таких электрических цепях радиоэлемент используется для накопления и сохранения электричества на его электродах. Изменение напряжения происходит лишь в случаях изменений параметров тока в цепи. Эти изменения могут считывать другие элементы схемы и реагировать на них.
В цепях синусоидального тока конденсатор ведёт себя подобно катушке индуктивности. Он пропускает переменный ток, но отсекает постоянную составляющую, а значит, может служить отличным фильтром. Такие радиоэлектронные элементы применяются в цепях обратной связи, входят в схемы колебательных контуров и т. п.
Ещё одно свойство состоит в том, что переменную емкость можно использовать для сдвига фаз. Существуют специальные пусковые конденсаторы (рис.5), применяемые для запусков трёхфазных электромоторов в однофазных электросетях.
Основные параметры и характеристики
Ёмкость.
Важным параметром конденсатора является его номинальная ёмкость. Для плоского конденсатора справедлива формула:
С = (ε*ε0*S) / d,
где ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, S – размеры обкладок (площадь пластин), d – расстояние между пластинами (обкладками).
Реальная емкость отдельных элементов обычно невелика, но можно получить конструкцию ёмкостью в несколько фарад, если параллельно соединить огромное число обкладок. В этом случае реальная ёмкость равняется сумме всех ёмкостей обкладок.
Максимальные емкости некоторых конденсаторов могут достигать нескольких фарад.
Удельная ёмкость.
Величина, характеризующая отношение ёмкости к объёму или к массе радиодетали. Данный параметр важен в микроэлектронике, где размеры деталей очень важны.
Номинальное напряжение.
Одной из важных электрических характеристик является номинальное напряжение – значение максимальных напряжений, при которых конденсатор может работать без потери значений других его параметров. При превышении критической величины равной напряжению пробоя происходит разрушение диэлектрика. Поэтому номинальное напряжение подбирают заведомо большее любых возможных максимальных амплитуд синусоидального тока в цепи конденсатора.
Существуют характеристики, такие как тангенс угла потерь, температурный коэффициент ёмкости, сопротивление утечки, диэлектрическая абсорбция и др., которые интересны только узким специалистам, а их параметры можно узнать из специальных справочников.
Классификация
Основные параметры конденсаторных изделий определяются типом диэлектрика. От материала зависит стабильность ёмкости, тангенс диэлектрических потерь, пьезоэффект и другие. Исходя из этого, классификацию моделей целесообразно осуществлять именно по виду диэлектрика.
По данному признаку различают следующие типы изделий:
В твёрдотельных моделях срок службы больший, чем у жидко-электролитических и составляет около 50 000 часов. У них меньшее внутренне сопротивление, то есть ЭПС почти не зависит от температуры, они не взрываются.
Классифицируют изделия и по другому важному параметру – изменению ёмкости. По данному признаку различают:
Все существующие конденсаторы можно условно разделить на общие и специальные. К изделиям общего назначения относятся самые распространённые низковольтные конденсаторы (см. рис. 6). К ним не предъявляют особых требований.
Рис. 6. Конденсаторы общего назначения
Все остальные ёмкостные радиоэлементы принадлежат к классу специального назначения:
Изображённые на фото устройства могут работать в высоковольтных цепях сравнительно низкой частоты.
Маркировка
Для маркировки отечественных изделий применялась буквенная система. Сегодня распространена цифровая маркировка. В буквенной системе применялись символы:
В данной системе маркировки иногда первую букву опускали.
В новой системе маркировки на первом месте может стоять буква К, а после неё идёт буквенно-цифровой код. Для обозначения номинала, вида диэлектрика и номера разработки используют цифры. Пример такой маркировки показан на рисунке 8. Обратите внимание на то, что на корпусе электролитического конденсатора обозначена полярность включения.
Обозначение на схемах
Каждое семейство конденсаторов имеет своё обозначение, позволяющее визуально определить его тип (см. рис. 9).
Рис. 9. Обозначение на схемах
Соединение конденсаторов
Существует два способа соединения: параллельное и последовательное. При параллельном соединении общая ёмкость равна сумме ёмкостей отдельных элементов: Собщ. = С1 + С2 + … + Сn.
Для последовательного соединения расчёт ёмкости рассчитывается по формуле: Cобщ. = ( C1* C2 *…* Cm ) / ( C1 + C2+…+Cn )
Чтобы быстро посчитать общую емкость соединенных конденсаторов лучше воспользоваться нашими калькуляторами:
Применение
Конденсаторы применяются почти во всех областях электротехники. Перечислим лишь некоторые из них:
С помощью этого радиоэлектронного элемента можно получать импульсы большой мощности, что используется, например, в фотовспышках, в системах зажигания карбюраторных двигателей.
ElectronicsBlog
Обучающие статьи по электронике
Принцип работы и устройство конденсатора
Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассказывал о методах расчёта электрических цепей, в которых основным элементом является резистор. Резистор представляет собой один из элементов с сосредоточенными параметрами, в данном случае таким параметром является сопротивление. Однако кроме сопротивления ещё одними из основных параметров элементов цепи являются ёмкость и индуктивность, которые представлены элементами конденсатор и индуктивными элементами (различные дросселя, катушки, трансформаторы и т.д.). В данной статье я рассмотрю такой элемент с сосредоточенными параметрами, как конденсатор.
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
Проводник в электрическом поле
Помещая проводник в электрическое поле, носители заряда внутри проводника начинают перемещаться. Причем данное перемещение подчиняется двум правилам:
Напряжённость электрического поля внутри проводника должно равняться нулю
Это означает, что потенциал внутри проводника остается постоянным (φ = const).
Из этих двух правил следует, что когда проводник вносится в электрическое поле его носители заряда (в металлах это электроны, а в жидкостях – ионы) приходят в движение, причем положительные по направлению напряжённости электрического поля, а отрицательные в противоположную сторону. Результатом движения зарядов в проводнике является возникновение зарядов противоположного знака на концах проводника, такие заряды называют индуцированными. Перераспределение заряда в проводнике показано на рисунке ниже
Распределение носителей зарядов проводника в электрическом поле.
Таким образом, нейтральный проводник, помещённый в электрическое поле, как бы разрывает часть линий электрического поля, а индуцированные заряды распределяются по поверхности проводника.
Практический интерес представляет следующая ситуация, когда внутри проводника имеется некоторая полость. Так как индуцирование зарядов происходит на поверхности проводника, то внутри этого проводника, а значит и во внутренней полости электрическое поле обращается в нуль. На данном явлении основана электростатическая защита, когда необходимо защитить какой-нибудь прибор от воздействия электрического поля, то его помещают внутрь экрана из проводника. Индуцированные заряды на поверхности экрана скомпенсируют электростатическое поле. Вместо сплошного экрана часто используют экран из электропроводящей сетки, что тоже позволяет создать защиту от электростатического поля.
Электроемкость
Если на проводник переместить некоторый заряд q, то он как мы уже знаем, распределится по всей поверхности проводника, так чтобы напряженность электрического поля внутри него была равна нулю. Однако относительно любой точки пространства данный проводник будет обладать некоторым потенциалом φ. Если на данный заряженный проводник переместить ещё один заряд, то опять же он равномерно распределится по всей поверхности проводника, а величина потенциала вырастит на некоторую величину.
Таким образом, между величиной заряда проводника и его потенциалом существует связь, которая определяется следующим выражением
где q – величина заряда, сообщенная проводнику,
φ – потенциал проводника относительно любой точки пространства,
С – коэффициент пропорциональности, называемый электроемкостью проводника, или просто емкостью.
Исходя из этого, электроемкость проводника может быть вычислена из следующего выражения
Таким образом, электроемкость численно равна заряду, передача которого проводнику повышает его потенциал на единицу. Единица измерения электроемкости называется Фарада (обозначается Ф).
Однако емкость уединенного проводника невелика, так емкостью в 1 Ф обладает шар радиусом 9*10 9 м, что почти в 1500 раз больше радиуса Земли. Поэтому на практике используют специальные устройства для накопления зарядов и обладающие большой емкостью при минимальных размерах. Такие устройства называются конденсаторами.
Конденсаторы
Принцип действия конденсатора основывается на явлении индуцирования зарядов на проводнике в электрическом поле или на свойстве диэлектрика поляризоваться под воздействием электрического поля, а также возрастания электроемкости проводника при приближении к нему других тел. Рассмотрим подробнее.
Как известно из предыдущего параграфа, что если к заряженному телу, вокруг которого существует электрическое поле поднести проводник, то на поднесенном проводнике начнут индуцироваться заряды, в результате чего потенциал заряженного проводника будет уменьшаться, а, следовательно, электроемкость возрастать. Поэтому конденсаторы делают в виде двух близкорасположенных проводников, называемых обкладками конденсатора.
Чтобы ограничить влияние посторонних предметов на электрическое поле конденсатора, а следовательно и его емкость, обкладки изготавливают такими, чтобы электрическое поле создаваемое ими было полностью сосредоточенно внутри конденсатора. Такому условию соответствуют плоские, цилиндрические и сферические конденсаторы.
Так как обкладки расположены очень близко, то практически весь заряд обкладок будет сосредоточен на их внутренних поверхностях, то есть обращённых друг к другу, поэтому емкость конденсатора будет определяться следующим выражением
где q – заряд одной из обкладок конденсатора,
φ1 и φ2 – потенциалы обкладок конденсатора.
Самым простым является плоский конденсатор, его мы и рассмотрим в качестве примера.
Плоский конденсатор
Плоский конденсатор представляет собой две одинаковые пластины площадью S, расположенные параллельно, расстояние между пластинами d очень незначительно по отношению к размерам самих пластин, поэтому практически всё электрическое поле сосредоточенно между пластинами-обкладками. Кроме этого между пластинами расположен диэлектрик, который имеет диэлектрическую проницаемость ε, зависящую от свойств диэлектрика.
Плоский конденсатор.
Тогда разность потенциалов между обкладками конденсатора будет определяться следующим выражением
где S – площадь обкладки конденсатора,
d – расстояние между обкладками,
ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, зависящая от его свойств.
Тогда емкость плоского конденсатора будет определяться по следующей формуле
На этом с физикой, пожалуй, закончим и приступим к электронике.
Реальный конденсатор
В прошлой статье я рассказал об идеальных элементах электрических схем (я рассматривал сопротивление, как идеальный резистор). Идеальный элемент конденсатор отличается от реального конденсатора наличием паразитных характеристик, для определения этих характеристик рассмотрим эквивалентную схему реального конденсатора изображённую ниже
Эквивалентная схема замещения конденсатора.
Кроме непосредственно емкости конденсатора можно выделить следующие параметры, которые являются паразитными и в некоторых схемах не позволяют использовать конденсаторы некоторых типов. Таким параметрами являются сопротивление утечки Rут, эквивалентное последовательное сопротивление RЭПС (или ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность LЭПИ (или ESL). Разберём каждый параметр в отдельности.
Сопротивление утечки Rут конденсатора определяется как отношение постоянного напряжения, до которого заряжен конденсатор Uc к току утечки Iут
эквивалентную схему реального конденсатора изображённую ниже
Ток утечки существует в любом случае, так как сопротивление изоляции и диэлектрика не может быть бесконечным. Вследствие этого заряженный конденсатор с течением времени теряет некоторый заряд. Поэтому часто в документации на конденсаторы вводится параметр постоянная времени саморазряда конденсатора Т = RутС0.
Современные высококачественные конденсаторы имеют постоянную времени саморазряда несколько сотен тысяч часов.
Эквивалентное последовательное сопротивление RЭПС или ESR довольно важный параметр в некоторых схемах, в частности, в схемах выпрямления импульсных блоков питания и стабилизаторах напряжения. Связан с непосредственным сопротивлением обкладок конденсатора и его выводов, а также с потерями в диэлектрике. Довольно часто служит показателем исправности конденсатора и для его измерения используют приборы ESR-метры.
Эквивалентная последовательная индуктивность LЭПИ или ESL, данный параметр обусловлен, прежде всего, индуктивностью обкладок конденсатора и его выводов. Данный паразитный параметр вместе с емкостью конденсатора образует последовательный колебательный контур с собственной частотой резонанса. Поэтому для конденсаторов нормируется максимальная частота работы.
Тангенс угла потерь конденсатора tgδ характеризует работу конденсатора при переменном напряжении. В идеальном конденсаторе, в котором отсутствуют паразитные параметры tgδ = 90°. Но в реальных конденсаторах часть энергии рассеивается на сопротивлении обкладок и в диэлектрике, то есть на RЭПС вследствие чего tgδ отличается от 90° в меньшую сторону. Тангенс угла потерь вычисляется по следующему выражению
В следующих статьях я расскажу о работе конденсаторов при переменном напряжении, где проявляются основные свойства данного электронного компонента.
Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.
Плоский конденсатор. Заряд и емкость конденсатора.
Наряду с резисторами одними из наиболее часто используемых электронных компонентов являются конденсаторы. И в этой статье мы разберемся, из чего они состоят, как работают и для чего применяются! Давайте, в первую очередь, рассмотрим устройство и принцип работы конденсаторов. А затем плавно перейдем к основным свойствам и характеристикам — заряду, энергии и, конечно же, емкости конденсатора. Как видите, нам сегодня предстоит изучить много интересных моментов 🙂
Плоский конденсатор.
Итак, простейший конденсатор представляет из себя две плоские проводящие пластины, расположенные параллельно друг другу и разделенные слоем диэлектрика. Причем расстояние между пластинами должно быть намного меньше, чем, собственно, размеры пластин:
Такое устройство называется плоским конденсатором, а пластины — обкладками конденсатора. Стоит уточнить, что здесь мы рассматриваем уже заряженный конденсатор (сам процесс зарядки мы изучим чуть позже), то есть на обкладках сосредоточен определенный заряд. Причем наибольший интерес представляет тот случай, когда заряды пластин конденсатора одинаковы по модулю и противоположны по знаку (как на рисунке).
А поскольку на обкладках сосредоточен заряд, между ними возникает электрическое поле. Поле плоского конденсатора, в основном, сосредоточено между пластинами, однако, в окружающем пространстве также возникает электрическое поле, которое называют полем рассеяния. Очень часто его влиянием в задачах пренебрегают, но забывать о нем не стоит.
Для определения величины этого поля рассмотрим еще одно схематическое изображение плоского конденсатора:
Каждая из обкладок конденсатора в отдельности создает электрическое поле:
Выражение для напряженности поля равномерно заряженной пластины выглядит следующим образом:
Здесь \sigma — это поверхностная плотность заряда: \sigma = \frac
, а \varepsilon — диэлектрическая проницаемость диэлектрика, расположенного между обкладками конденсатора. Поскольку площадь пластин конденсатора у нас одинаковая, как и величина заряда, то и модули напряженности электрического поля, равны между собой:
Но направления векторов разные — внутри конденсатора вектора направлены в одну сторону, а вне — в противоположные. Таким образом, внутри обкладок результирующее поле определяется следующим образом:
А какая же будет величина напряженности вне конденсатора? А все просто — слева и справа от обкладок поля пластин компенсируют друг друга и результирующая напряженность равна 0 🙂
Процессы зарядки и разрядки конденсаторов.
С устройством мы разобрались, теперь разберемся, что произойдет, если подключить к конденсатору источник постоянного тока. На принципиальных электрических схемах конденсатор обозначают следующим образом:
Итак, мы подключили обкладки конденсатора к полюсам источника постоянного тока. Что же будет происходить?
Свободные электроны с первой обкладки конденсатора устремятся к положительному полюсу источника. Из-за этого на обкладке возникнет недостаток отрицательно заряженных частиц, и она станет положительно заряженной. В то же время электроны с отрицательного полюса источника тока переместятся ко второй обкладке конденсатора. В результате чего на ней возникнет избыток электронов, соответственно, обкладка станет отрицательно заряженной. Таким образом, на обкладках конденсатора образуются заряды разного знака (как раз этот случай мы и рассматривали в первой части статьи), что приводит к появлению электрического поля, которое создаст между пластинами конденсатора определенную разность потенциалов. Процесс зарядки будет продолжаться до тех пор, пока эта разность потенциалов не станет равна напряжению источника тока. После этого процесс зарядки закончится, и перемещение электронов по цепи прекратится.
При отключении от источника конденсатор может на протяжении длительного времени сохранять накопленные заряды. Соответственно, заряженный конденсатор является источником электрической энергии, это означает, что он может отдавать энергию во внешнюю цепь. Давайте создадим простейшую цепь, просто соединив обкладки конденсатора друг с другом:
В данном случае по цепи начнет протекать ток разряда конденсатора, а электроны начнут перемещаться с отрицательно заряженной обкладки к положительной. В результате напряжение на конденсаторе (разность потенциалов между обкладками) начнет уменьшаться. Этот процесс завершится в тот момент, когда заряды пластин конденсаторов станут равны друг другу, соответственно электрическое поле между обкладками пропадет и по цепи перестанет протекать ток. Вот так и происходит разряд конденсатора, в результате которого он отдает во внешнюю цепь всю накопленную энергию.
Как видите, здесь нет ничего сложного 🙂
Емкость и энергия конденсатора.
Важнейшей характеристикой является электрическая емкость конденсатора. Это физическая величина, которая определяется как отношение заряда конденсатора q одного из проводников к разности потенциалов между проводниками:
Емкость конденсатора изменяется в Фарадах, но величина 1 Ф является довольно большой, поэтому чаще всего емкость измерятся в микрофарадах (мкФ), нанофарадах (нФ) и пикофарадах (пФ). А поскольку мы уже вывели формулу для расчета напряженности, то давайте выразим напряжение на конденсаторе следующим образом:
Здесь у нас d — это расстояние между пластинами конденсатора, а q — заряд конденсатора. Подставим эту формулу в выражение для емкости:
Для запасенной энергии конденсатора справедливы следующие выражения:
Помимо емкости конденсаторы характеризуются еще одним параметром, а именно величиной напряжения, которое может выдержать его диэлектрик. При слишком больших значениях напряжения электроны диэлектрика отрываются от атомов, и диэлектрик начинает проводить ток. Это явление называется пробоем конденсатора, и в результате обкладки оказываются замкнутыми друг с другом. Собственно, характеристикой, которая часто используется при работе с конденсаторами является не напряжение пробоя, а рабочее напряжение. Это такая величина напряжения, при которой конденсатор может работать неограниченно долгое время, и пробоя не произойдет.
Итак, мы сегодня рассмотрели основные свойства конденсаторов, их устройство и характеристики! Так что на этом заканчиваем статью, а в следующей мы будем обсуждать различные варианты соединений и маркировку. Не пропустите!
