Электрический конденсатор — один из элементов электрической цепи любого электронного устройства, основной функцией которого является запасание энергии с последующей отдачей ее обратно в цепь. Промышленность предлагает широкое разнообразие конденсаторов, различающихся по типам, емкости, размерам, применению.
Принцип работы и характеристики конденсаторов
Устройство конденсатора представляет собой две металлические пластинки-обкладки, разделенные тонким слоем диэлектрика. Соотношение размеров и расположения обкладок и характеристика материала диэлектрика определяет показатель емкости.
Разработка конструкции любого типа конденсатора преследует целью получение максимальной емкости в расчете на минимальные размеры для экономии пространства на печатной плате устройства. Одна из наиболее популярных по внешнему виду форм — в виде бочонка, внутри которого скручены металлические обкладки с диэлектриком между ними. Первый конденсатор, изобретенный в городе Лейдене (Нидерланды) в 1745 году, получил название «Лейденской банки».
Принципом работы компонента является способность заряжаться и разряжаться. Зарядка возможна благодаря нахождению обкладок на малом расстоянии друг от друга. Близкорасположенные заряды, разделенные диэлектриком, притягиваются друг к другу и задерживаются на обкладках, а сам конденсатор таким образом хранит энергию. После отключения источника питания компонент готов к отдаче энергии в цепи, разряду.
Параметры и свойства, определяющие рабочие характеристики, качество и долговечность работы:
- электрическая емкость;
- удельная емкость;
- допускаемое отклонение;
- электрическая прочность;
- собственная индуктивность;
- диэлектрическая абсорбция;
- потери;
- стабильность;
- надежность.
Способность накапливать заряд определяет электрическую емкость конденсатора. При расчете емкости нужно знать:
- площадь обкладок;
- расстояние между обкладками;
- диэлектрическую проницаемость материала диэлектрика.
Для повышения емкости нужно увеличить площадь обкладок, уменьшить расстояние между ними и использовать диэлектрик, материал которого обладает высокой диэлектрической проницаемостью.
Для обозначения емкости используется Фарад (Ф) — единица измерения, получившая свое название в честь английского физика Майкла Фарадея. Однако 1 Фарад — слишком большая величина. Например, емкость нашей планеты составляет менее 1 Фарада. В радиоэлектронике используются меньшие значения: микрофарад (мкФ, миллионная доля Фарада) и пикофарад (пФ, миллионная доля микрофарада).
Удельная емкость рассчитывается из отношения емкости к массе (объему) диэлектрика. На этот показатель влияют геометрические размеры, и повышение удельной емкости достигается за счет снижения объема диэлектрика, но при этом повышается опасность пробоя.
Допускаемое отклонение паспортной величины емкости от фактической определяет класс точности. Согласно ГОСТу, существует 5 классов точности, определяющих будущее использование. Компоненты высшего класса точности применяются в цепях высокой ответственности.
Электрическая прочность определяет способность удерживать заряд и сохранять рабочие свойства. Заряды, сохраняющиеся на обкладках, стремятся друг к другу, воздействуя на диэлектрик. Электрическая прочность — важное свойство конденсатора, определяющее длительность его использования. В случае неправильной эксплуатации произойдет пробой диэлектрика и выход компонента из строя.
Собственная индуктивность учитывается в цепях переменного тока с катушками индуктивности. Для цепей постоянного тока не берется в расчет.
Диэлектрическая абсорбция — появление напряжения на обкладках при быстром разряде. Явление абсорбции учитывается для безопасной эксплуатации высоковольтных электрических устройств, т.к. при коротком замыкании существует опасность для жизни.
Потери обусловлены малым пропусканием тока диэлектриком. При эксплуатации компонентов электронных устройств в разных температурных условиях и разной влажности свое влияние оказывает показатель добротности потерь. На него также влияет рабочая частота. На низких частотах сказываются потери в диэлектрике, на высоких — в металле.
Стабильность — параметр конденсатора, на который также оказывает влияние температура окружающей среды. Ее воздействия делятся на обратимые, характеризуемые температурным коэффициентом, и необратимые, характеризуемые коэффициентом температурной нестабильности.
Надежность работы конденсатора в первую очередь зависит от условий эксплуатации. Анализ поломок говорит о том, что в 80% случаев причиной выхода из строя является пробой.
В зависимости от назначения, типа и области применения различаются и размеры конденсаторов. Самые маленькие и миниатюрные, размерами от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, используются в электронике, а самые крупные — в промышленности.
Назначение
Свойство запасания и отдачи энергии определило широкое применение конденсаторов в современной электронике. Наравне с резисторами и транзисторами они являются основой электротехники. Нет ни одного современного устройства, где они не использовались бы в каком-либо качестве.
Их способность заряжаться и разряжаться совместно с индуктивностью, обладающей теми же свойствами, активно применяются в радио- и телевизионной технике. Колебательный контур из конденсатора и индуктивности — основа передачи и приема сигналов. Изменение емкости конденсатора позволяет менять частоту колебательного контура. Например, радиостанции могут передавать сигнал на своих частотах, а радиоприемники подключаться к этим частотам.
Важной функцией является сглаживание пульсаций переменного тока. Любому электронному устройству, питающемуся от сети переменного тока, для получения постоянного тока хорошего качества необходимы фильтрующие электрические конденсаторы.
Активно применяется механизм зарядки и разрядки в фототехнике. Все современные фотоаппараты используют для съемок вспышку, которая реализуется благодаря свойству быстрой разрядки. В данной области невыгодно использовать аккумуляторы, умеющие хорошо запасать энергию, но медленно отдающие ее. А конденсаторы, напротив, моментально отдают всю запасенную энергию, которой достаточно для яркой вспышки.
Возможность генерации конденсаторами импульсов высокой мощности используется в радиолокации и создании лазеров.
Конденсаторы выполняют роль искрогашения контактов в телеграфии и телефонии, а также телемеханике и автоматике, где необходимы переключения высоконагруженных реле.
Регулировка напряжения протяженных линий электропередач осуществляется благодаря использованию компенсационных емкостей.
Современные конденсаторы, благодаря своим возможностям, применяются не только в области радиоэлектроники. Их используют в металлообрабатывающей, горнодобывающей, угольной промышленности.
Основные разновидности
Из-за разнообразия сфер применения и условий эксплуатации электронных устройств существует большое многообразие компонентов, различающихся по типам и характеристикам. Основное разделение идет по классам и по типу используемого диэлектрика.
Типы конденсаторов, разделяющиеся по классу:
- с постоянной емкостью;
- с переменной емкостью;
- подстроечные.
Компоненты с постоянной емкостью используются в каждом радиоэлектронном устройстве.
Для изменения емкости и параметров цепи, например частоты в колебательных контурах, применяются конденсаторы с переменной емкостью. В своем устройстве они имеют несколько секций металлических подвижных пластин, что обеспечивает долговечность их работы.
Подстроечные конденсаторы используются для однократной регулировки аппаратуры. Они выпускаются различными номиналами емкостей (от нескольких пикофарад до нескольких сот пикофарад) и рассчитаны на напряжение до 60 Вольт. Без их использования невозможна тонкая настройка аппаратуры.
Виды конденсаторов, разделяющиеся по типу диэлектрика:
- с керамическим диэлектриком;
- с пленочным диэлектриком;
- электролитические;
- ионисторы.
Керамические изготавливают в виде небольшой пластины из керамического материала, на который напылены металлические выводы. Такие конденсаторы обладают различными свойствами и применяются как для высоковольтных, так и для низковольтных цепей.
Для низковольтных цепей чаще всего применяются многослойные малогабаритные компоненты в эпоксидной смоле или пластмассовых корпусах емкостью от десятков пикофарад до единиц микрофарад. Они используются в высокочастотных цепях радиоэлектронной аппаратуры и могут работать в тяжелых климатических условиях.
Для высоковольтных цепей изготавливают керамические конденсаторы большего размера и емкостями от десятков пикофарад до тысяч пикофарад. Они применяются в импульсных цепях и аппаратуре преобразования напряжения.
Пленочный диэлектрик бывает разных видов. Самый распространенный из них — лавсановый, обладающий высокой прочностью. Менее распространен полипропиленовый диэлектрик, отличающийся меньшими потерями и использующийся в цепях с большим напряжением, например в цепях усиления звука и в цепях средних частот.
Отдельный тип пленочных конденсаторов — пусковые, которые используются в момент пуска двигателей и за счет своей высокой емкости и специального материала диэлектрика снижают нагрузку на электродвигатель. Они отличаются высоким рабочим напряжением и электрической реактивной мощностью.
Электролитические конденсаторы выполнены в классическом исполнении. Корпус изготовлен из алюминия, внутри располагаются свернутые металлические обкладки. На одной обкладке химическим способом нанесен оксид металла, а на второй — жидкий или твердый электролит, образуя диэлектрик. Благодаря такому устройству электролитические конденсаторы отличаются большой емкостью, но особенностью их использования с течением времени является ее изменение.
В отличие от керамических и пленочных электролитические конденсаторы обладают полярностью. Они, в свою очередь, подразделяются на неполярные, лишенные этого недостатка, радиальные, миниатюрные, аксиальные. Область их применения — традиционная компьютерная и современная микрокомпьютерная техника.
Специальным типом, который появился сравнительно недавно, являются ионисторы. По своему устройству они похожи на электролитические конденсаторы, но отличаются большой емкостью (до единиц Фарад). Однако их использование ограничивается маленьким максимальным напряжение в несколько Вольт. Ионисторы используются для хранения памяти: если разрядился аккумулятор в мобильном телефоне или миниатюрном компьютере, сохраненная информация не будет безвозвратно потеряна.
Кроме компонентов в выводном исполнении, которые появились давно и которые традиционно использовались, выпускаются современные компоненты в SMD-исполнении или, как его еще называют, для поверхностного монтажа. Например, керамические могут выпускаться в различных по размеру корпусах, от самых маленьких (1 мм на 0,5 мм) до самых больших (5,7 мм на 5 мм), и с соответствующим напряжением от десятков Вольт до сотен.
В корпусах для поверхностного монтажа могут выпускать и электролитические конденсаторы. Это могут быть стандартные алюминиевые электролитические конденсаторы, а могут быть танталовые, внешне немного похожие на керамические, но отличающиеся от них большей емкостью и низкими потерями. Они могут быть как в выводном, так и в безвыводном SMD-исполнении.
Особенностью танталовых конденсаторов является большой срок жизни и минимальные потери при несколько меньшем пределе емкости, но при этом они отличаются высокой ценой. Они используются в цепях высокой ответственности, где требуется большая емкость.
Похожие статьи:
Загрузка...