Типы конденсаторов и их использование
В воздушных конденсаторах изоляцией выступает воздух. Данное оборудование нормально функционирует на больших частотах. Существуют еще керамические конденсаторы, которые изготавливаются из одной или нескольких пластин различного керамического сырья.
+7 (495) 532-25-10
E-mail: info@domxoloda.ru
Адрес:г. Москва, ул. Деловая 11, корп. 2, стр. 2
ООО “Дом Холода” Все права защищены.
Сайт носит исключительно информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 ГК РФ Цены могут отличаться в связи изменением курса доллара и евро.
Какие бывают конденсаторы по виду
Конденсаторы, как и резисторы, наиболее распространённые компоненты в принципиальных схемах. Их основное назначение – распределённая по электрической схеме фильтрация (сглаживание) пульсаций напряжений питания, а также использование как времязадающих элементов в генераторах и фильтрах.
Происхождение названия от латинского condensatio – накапливать. Это устройство для накопления электрических зарядов и энергии электрического поля W=C*U 2 / 2, где С символ основной характеристики конденсатора – электрической ёмкости (ёмкости). Этой же латинской буквой С принято обозначать конденсатор в электрических схемах.
Исторический образ конденсатора – две параллельно размещённые металлические пластины (обкладки) с диэлектрической прослойкой (показан на рисунке 1.18).
Чем больше поверхности обкладок и меньше расстояние между пластинами, тем выше значение ёмкости конденсатора. Диэлектрик, расположенный между пластинами увеличивает ёмкость. В качестве диэлектрика может использоваться бумага, слюда, полимерная плёнка, керамика и др. Типовое расчётное соотношение для ёмкости конденсатора выглядит так:
где ɛ0≈ 8,85·10 -3 пФ/мм диэлектрическая проницаемость вакуума (диэлектрическая постоянная), ɛ — относительная диэлектрическая проницаемость использованного диэлектрика, S – площадь обкладок [мм 2 ], d – расстояние между обкладками (толщина диэлектрика) [мм] .
Значения относительной диэлектрической проницаемости для некоторых диэлектриков представлены в таблице 1.7.
Таблица 1.7 – Значения относительной диэлектрической проницаемости для некоторых диэлектриков
Диэлектрик
ɛ
На принципиальных электрических схемах конденсаторы обозначаются графемой (показано на рисунке 1.19 слева):
Примечание – В некоторых случаях общепринятую в принципиальных схемах графему заменяют более сложной моделью (показано на рисунке 1.19 справа). Такая замена обоснована для конденсаторов с диэлектриком плохого качества.
Резистор Rут на схеме называется сопротивлением утечки и его типовое значение можно найти в документации.
Утечка – это явление перетекания заряда с одной обкладки на другое через не идеальный диэлектрик: если заряженный конденсатор отключить от нагрузок, то через некоторое время он разрядится. Время разряда зависит от качества диэлектрика: чем оно выше, тем дольше происходит саморазряд.
В настоящее время постоянные конденсаторы имеют более сложные конструктивно-технологические решения. При этом конденсаторы различают:
- по типу диэлектрика: керамические, слюдяные, плёночные, электролитические и др.;
- по конструктивному решению: конденсаторы для монтажа в отверстия (выводные), для поверхностного монтажа (чип-конденсаторы);
- по рабочему напряжению, габаритам, температурному коэффициенту ёмкости и др.
Конструктивные разновидности современных конденсаторов, применяемых в электрических цепях с напряжениями до нескольких сотен вольт (низкие напряжения) представлены на рисунке 1.20.
Наиболее широкое применение в настоящее время находят керамическиеи электролитические конденсаторы. Они могут монтироваться в отверстия или предназначены для поверхностного монтажа. Типовые сравнительные характеристики конденсаторов представлены в таблице 1.8.
Примечание – Следует иметь в виду, что электролитические конденсаторы при подключению требуют соблюдения полярности. Для этого на корпусе конденсатора рядом с одним из контактов проставлен знак + (анод) или другой отличительный символ.
Таблица 1.8 – Типовые характеристики современных конденсаторов
Основное, широко используемое в электротехнике соотношение, связанное с электрической ёмкостью:
где Q – заряд, накопленный в конденсаторе (измеряется в кулонах), U – напряжение, до которого заряжен конденсатор.
На практике применяют постоянные, переменные и подстроечные конденсаторы (представлены на рисунке 1.21).
Постоянными принято называть конденсаторы, основной параметр которых – электрическая ёмкость, должен поддерживаться неизменным. Любые отклонения от расчётных значений – нежелательная погрешность.
Переменный и подстроечный конденсаторы имеют конструктивные особенности, позволяющие изменять ёмкость с помощью инструмента или вручную.
Постоянные конденсаторы
Основной параметр постоянного конденсатора – номинальная ёмкость, может меняться во время эксплуатации, как и у резистора, под воздействием различных факторов. Разница заключается в том, что скрупулёзно следить за такими изменениями обычно не требуется: требования к точности конденсаторов не высоки.
Так, например, используемые в качестве фильтров питания электролитические и керамические конденсаторы могут иметь допуск номинала ± 30% и более.
С максимальной точностью ± 1% изготавливаются некоторые керамические конденсаторы, ёмкость которых ограничена значением 100 нФ. Они используются в качестве времязадающих компонентов при создании активных электрических фильтров или генераторов. Другие важные их отличия – высокая температурная стабильность и большая цена.
Следует иметь в виду, что ёмкость электролитических конденсаторов может существенно меняться с изменением температуры и с течением времени они сильно деградируют (высыхают).
Конденсаторы выпускаются в соответствии с рядом Е24, но часто имеют более ограниченный набор номиналов, который задаётся в технических описаниях.
Цветовая маркировка конденсаторов похожа на аналогичную для резисторов, однако в отличие от чип-резисторов, чип-конденсаторы обычно не имеют маркировки!
Типовые расчётные соотношения
- Выражение для накопленного в конденсаторе заряда
- Последовательное соединение конденсаторов:
- Параллельное соединение конденсаторов:
- Переходный процесс в RC-цепочке:
Переменные и подстроечные конденсаторы
Переменные (регулирующие) конденсаторы предназначены для интенсивной регулировки так, как это делалось при настройке частоты вещания в старых радиоприёмниках. Это конденсаторы с воздушным диэлектриком сегодня используются редко.
Подстроечный конденсатор это переменный конденсатор малой ёмкости, который обычно используется для точной настройки режимов работы электрических схем. Обычно, подстроечный конденсатор используется однократно – в ходе процедуры настройки, или изредка.
После манипуляций настройки регулировочный винт контрится (закрашивается), чтобы во время дальнейшей эксплуатации изделия его положение не сдвинулось от случайных механических воздействий (например, вибраций). Количество подстроек у таких конденсаторов лимитировано несколькими десятками полных поворотов.
Переменные и подстроечные конденсаторы в современной электронике применяются редко. Широко их используют только в радиотехнике. Внешний вид таких конденсаторов представлен на рисунке 1.22.
Средства измерений ёмкости конденсаторов
Colibri. Измеритель сопротивления, ёмкости, индуктивности.
Диапазоны основных режимов измерений мультиметра Colibri представлены в таблице 1.9.
Таблица 1.9 – Диапазоны основных режимов измерений мультиметра Colibri
Параметры
Значение
Погрешность измерения
Типы конденсаторов
Конденсатор — один из самых распространенных электронных компонентов. Существует множество разных типов конденсаторов, которые классифицируют по различным свойствам.
В основном типы конденсаторов разделяют:
- По характеру изменения емкости — постоянной емкости, переменной емкости и подстроечные.
- По материалу диэлектрика — воздух, металлизированная бумага, слюда, тефлон, поликарбонат, оксидный диэлектрик (электролит).
- По способу монтажа — для печатного или навесного монтажа.
Керамические конденсаторы
Керамические конденсаторы или керамические дисковые конденсаторы сделаны из маленького керамического диска, покрытого с двух сторон проводником (обычно серебром).
Благодаря довольно высокой относительной диэлектрической проницаемости (от 6 до 12) керамические конденсаторы могут вместить достаточно большую емкость при относительно малом физическом размере. Диапазон емкости этого типа конденсаторов — от нескольких пикоФарад (пФ или pF) до нескольких микроФарад (мФ или uF). Однако их номинальное напряжение, как правило, невысокое.
Маркировка керамических конденсаторов обычно представляет собой трехзначный числовой код, обозначающий значение емкости в пикофарадах. Первые две цифры указывают значение емкости. Третья цифра указывает количество нулей, которые нужно добавить.
Например, маркировка 103 на керамическом конденсаторе означает 10 000 пикоФарад или 10 наноФарад. Соответственно, маркировка 104 будет означать 100 000 пикоФарад или 100 наноФарад и.т.д. Иногда к этому коду добавляют буквы, обозначающие допуск. Например, J = 5%, K = 10%, M = 20%.
Пленочные конденсаторы
Емкость конденсатора зависит от площади обкладок. Для того чтобы компактно вместить большую площадь, используют пленочные конденсаторы. Здесь применяют принцип «многослойности». Т.е. создают много слоев диэлектрика, чередующегося слоями обкладок. Однако с точки зрения электричества, это такие же два проводника разделенные диэлектриком, как и у плоского керамического конденсатора.
В качестве диэлектрика пленочных конденсаторов обычно используют тефлон, металлизированную бумагу, майлар, поликарбонат, полипропилен, полиэстер. Диапазон емкости этого типа конденсаторов составляет примерно от 5pF (пикофарад) до 100uF (микрофарад). Диапазон номинального напряжения пленочных конденсаторов достаточно широк . Некоторые высоковольтные конденсаторы этого типа достигают более 2000 вольт.
Различают два вида пленочных конденсаторов по способу размещения слоев диэлектрика и обкладок – радиальные и аксиальные.
Радиальный и аксиальный тип пленочных конденсаторов
Маркировка емкости пленочных конденсаторов происходит по тому же принципу что и керамических. Это трехзначный числовой код, обозначающий значение емкости в пикофарадах. Первые две цифры указывают значение емкости. Третья цифра указывает количество нулей, которые нужно добавить. Иногда к этому коду добавляют буквы, обозначающие допуск. Например, J = 5%, K = 10%, M = 20%. Например 103J означает 10 000 пикоФарад +/- 5% или 10 наноФарад +/-5%.
Однако довольно часто разные производители кроме значения емкости и точности добавляют символы номинального напряжения, температуры, серии, класса, корпуса, и других особых характеристик. Данные символы могут отличатся и быть размещены в разном порядке, в зависимости от производителя. Поэтому для разшифровки маркировки пленочных конденсаторов желательно пользоваться документацией (Datasheets).
Электролитические конденсаторы
Электролитические конденсаторы обычно используются когда требуется большая емкость. Конструкция этого типа конденсаторов похожа на конструкцию пленочных, только здесь вместо диэлектрика используется специальная бумага, пропитанная электролитом. Обкладки конденсатора создаются из алюминия или тантала.
Обратим внимание, что электролит хорошо проводит электрический ток! Это полностью противоречит принципу устройства конденсатора, где два проводника должны быть разделены диэлектриком.
Дело в том, что слой диэлектрика создается уже после изготовления конструкции компонента. Через конденсатор пропускают ток, и в результате электролитического окисления на одной из обкладок появляется тонкий слой оксида алюминия или оксида тантала (в зависимости из какого металла состоит обкладка). Этот слой представляет собой очень тонкий и эффективный диэлектрик, позволяющий электролитическим конденсаторам превосходить по емкости в сотни раз «обычные» пленочные конденсаторы.
Недостатком вышеописанного процесса окисления является полярность конденсатора. Оксидный слой обладает свойствами односторонней проводимости. При неправильном подключении напряжения оксидный слой разрушается, и через конденсатор может пойти большой ток. Это приведет к быстрому нагреву и разширению электролита, в результате чего может произойти взрыв конденсатора! Поэтому необходимо всегда соблюдать полярность при подключении электролитического конденсатора. В связи с этим на корпусе компонента производители указывают куда подключать минус.
По причине своей полярности электролитические конденсаторы не могут быть использованы в цепях с переменным током. Но иногда можно встретить компоненты состоящие из двух конденсаторов, соединенными минус-к-минусу и формирующие «не полярные» конденсаторы. Их можно использовать в цепях с переменным током малого напряжения.
Емкость алюминиевых электролитических конденсаторов в колеблется основном от 1 мкФ до 47000 мкФ. Номинальное напряжение — от 5В до 500В. Допуск обычно довольно большой — 20%.
Танталовые конденсаторы физически меньше алюминиевых аналогов. Вдобавок электролитические свойства оксида тантала лучше чем оксида алюминия — у танталовых конденсаторов значительно менше утечка тока и выше стабильность емкости. Диапазон типичных емкостей от 47нФ до 1500мкФ.
Танталовые электролитические конденсаторы также являются полярными, однако лучше переносят неправильное подключение полярности чем их алюминиевые аналоги. Вместе с тем, диапазон типичных напряжений танталовых компонентов значительно ниже – от 1В до 125В.
Переменные конденсаторы
Переменные конденсаторы широко используются в устройствах, где часто требуется настройка во время работы — приемниках, передатчиках, измерительных приборах, генераторах сигналов, аудио и видео аппаратуре. Изменение емкости конденсатора позволяет влиять на характеристики проходящего через него сигнала (форму, частоту, амплитуду и т.д.).
Емкость может менятся механическим способом, электрическим напряжением (вариконды), и с помощью температуры (термоконденсаторы). В последнее время во многих областях вариконды вытесняются варикапами (диодами с переменной емкостью).
Под названием «переменные конденсаторы» обычно имеют ввиду компоненты с механическим изменением емкости. Управление емкостю здесь достигается путем изменения площади обкладок. Обкладки в переменных конденсаторах состоят из множества пластин с воздушным пространством между ними в качестве диэлектрика.
Часть пластин фиксированная, часть подвижная. Положение подвижных пластин по отношению к фиксированным определяет общую емкость конденсатора. Чем больше общая площадь пластин тем больше емкость.
Подстроечные конденсаторы
Подстроечные конденсаторы используются при разовом или периодическом регулировании емкости, в отличии от «стандартных» переменных конденсаторов, где емкость меняется в «режиме реального времени». Такая настройка предназначена для самих производителей аппаратуры, а не для ее пользователей, и выполняется специальной настроечной отверткой. Обычная стальная отвертка не подходит, так как может повлиять на емкость конденсатора. Емкость подстроечных конденсаторов как правило невелика – до 500 пикоФарад.
Способ монтажа конденсаторов
Конденсаторы разделяют по способу монтажа на компоненты для навесного монтажа и для печатного монтажа (SMD или чип-конденсаторы). У компонентов для навесного монтажа есть выводы в виде «ножек». У конденсаторов для печатного монтажа выводами служит часть их поверхности.
Виды конденсаторов и их применение
Конденсатор — это электрический (электронный) компонент, состоящий из двух проводников (обкладок), разделенных между собой слоем диэлектрика. Существует много видов конденсаторов. В основном они делятся по материалу из которого изготовлены обкладки и по типу 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 также 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 (Al2O3),
- 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 котором металлический электрод выполнен из тантала, а диэлектрический слой образован из пентаоксида тантала (Ta2O5).
- 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 утечке 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 маркировку.
Конденсаторы с воздушным диэлектриком
Здесь диэлектриком является воздух. Такие конденсаторы отлично работают на высоких частотах, и часто выполняются как конденсаторы переменной емкости (для настройки).