Як влаштований конденсатор?

Конденсатор - двухполюсник з певним значенням ємності і малої омічний проводімостью- пристрій для накопичення енергії електричного поля. Конденсатор є пасивним електронним компонентом. Зазвичай складається з двох електродів у формі пластин (званих обкладками), Розділених діелектриком, товщина якого мала в порівнянні з розмірами обкладок.

Історія

У 1745 році в Лейдені німецький фізик Евальд Юрген фон Клейст і голландський фізик Пітер ван Мушенбрук створили перший конденсатор - «лейденську банку».

Конденсатор в ланцюзі постійного струму може проводити струм у момент включення його в ланцюг (відбувається заряд або перезаряд конденсатора), після закінчення перехідного процесу струм через конденсатор не тече, так як його обкладки розділені діелектриком. У ланцюзі ж змінного струму він проводить коливання змінного струму за допомогою циклічної перезарядки конденсатора.

У термінах методу комплексних амплітуд конденсатор володіє комплексним імпедансом

,

де - уявна одиниця, - частота протікає синусоїдального струму, - ємність конденсатора. Звідси також випливає, що реактивний опір конденсатора одно: . Для постійного струму частота дорівнює нулю, отже, реактивний опір конденсатора нескінченно (в ідеальному випадку).

При зміні частоти змінюються діелектрична проникність діелектрика і ступінь впливу паразитних параметрів - власної індуктивності і опору втрат. На високих частотах будь конденсатор можна розглядати як послідовний коливальний контур, утворений ємністю , власної індуктивністю і опором втрат .

Резонансна частота конденсатора дорівнює

При f_p "/> конденсатор в колі змінного струму поводиться як котушка індуктивності. Отже, конденсатор доцільно використовувати лише на частотах , на яких його опір носить ємнісний характер. Зазвичай максимальна робоча частота конденсатора приблизно в 2-3 рази нижче резонансної.

Конденсатор може накопичувати електричну енергію. Енергія зарядженого конденсатора:

де - напруга (різниця потенціалів), до якого заряджений конденсатор.

У Росії умовні графічні позначення конденсаторів на схемах повинні відповідати ГОСТ 2.728-74 або міжнародному стандарту IEEE 315-1975:

Позначення по ГОСТ 2.728-74	Опис
	Конденсатор постійної ємності
	Поляризований конденсатор
	Подстроєчний конденсатор змінної ємності

На електричних принципових схемах номінальна ємність конденсаторів зазвичай вказується в мікрофарадах (1 мкФ = 10⁶ пФ) і пікофарад, але нерідко і в нанофарадах. При ємності не більше 0,01 мкФ, ємність конденсатора вказують в пікофарад, при цьому допустимо не вказувати одиницю виміру, тобто постфікси «пФ» опускають. При позначенні номіналу ємності в інших одиницях вказують одиницю виміру (пикофарад). Для електролітичних конденсаторів, а також для високовольтних конденсаторів на схемах, після позначення номіналу ємності, вказують їх максимальна робоча напруга в вольтах (В) або кіловольт (кВ). Наприклад так: «10 мк x 10 В». Для змінних конденсаторів вказують діапазон зміни ємності, наприклад так: «10 - 180». В даний час виготовляються конденсатори з номінальними ємностями з десятічнологаріфміческіх рядів значень Е3, Е6, Е12, Е24, тобто на одну декаду припадає 3, 6, 12, 24 значення, так, щоб значення з відповідним допуском (розкидом) перекривали всю декаду.

Основною характеристикою конденсатора є його ємність. У позначенні конденсатора фігурує значення номінальної ємності, в той час як реальна ємність може значно змінюватися в залежності від багатьох факторів. Реальна ємність конденсатора визначає його електричні властивості. Так, за визначенням ємності, заряд на обкладанні пропорційний напрузі між обкладинками (q = CU). Типові значення ємності конденсаторів складають від одиниць пікофарад до сотень микрофарад. Однак існують конденсатори з ємністю до десятків фарад.

Ємність плоского конденсатора, що складається з двох паралельних металевих пластин площею кожна, розташованих на відстані один від одного, в системі СІ виражається формулою: , де - відносна діелектрична проникність середовища, що заповнює простір між пластинами (ця формула справедлива, лише коли багато менше лінійних розмірів пластин).

Для отримання великих ємностей конденсатори з'єднують паралельно. При цьому напруга між обкладками всіх конденсаторів однаково. Загальна ємність батареї паралельно з'єднаних конденсаторів дорівнює сумі ємностей всіх конденсаторів, що входять в батарею.

або

Якщо у всіх паралельно з'єднаних конденсаторів відстань між обкладинками та властивості діелектрика однакові, то ці конденсатори можна представити як один великий конденсатор, розділений на фрагменти меншої площі.

При послідовному з'єднанні конденсаторів заряди всіх конденсаторів однакові. Загальна ємність батареї послідовно з'єднаних конденсаторів дорівнює

або

Ця ємність завжди менше мінімальної ємності конденсатора, що входить в батарею. Однак при послідовному з'єднанні зменшується можливість пробою конденсаторів, оскільки на кожен конденсатор припадає лише частина різниці потенціалів джерела напруги.

Якщо площа обкладок всіх конденсаторів, з'єднаних послідовно, однакова, то ці конденсатори можна представити у вигляді одного великого конденсатора, між обкладками якого знаходиться стопка з пластин діелектрика всіх складових його конденсаторів.

Конденсатори також характеризуються питомою ємністю - відношенням ємності до обсягу (або масі) діелектрика. Максимальне значення питомої ємності досягається при мінімальній товщині діелектрика, однак при цьому зменшується його напруга пробою.

Інший, не менш важливою характеристикою конденсаторів є номінальна напруга - значення напруги, позначене на конденсаторі, при якому він може працювати в заданих умовах протягом терміну служби зі збереженням параметрів в допустимих межах.

Номінальна напруга залежить від конструкції конденсатора і властивостей застосовуваних матеріалів. При експлуатації напруга на конденсаторі не повинно перевищувати номінального. Для багатьох типів конденсаторів із збільшенням температури допустима напруга знижується.

Багато конденсатори з оксидним діелектриком (електролітичні) функціонують тільки при коректної полярності напруги через хімічних особливостей взаємодії електроліту з діелектриком. При зворотній полярності напруги електролітичні конденсатори зазвичай виходять з ладу через хімічного руйнування діелектрика з подальшим збільшенням струму, скипанням електроліту всередині і, як наслідок, з імовірністю вибуху корпусу.

Вибухи електролітичних конденсаторів - досить поширене явище. Основною причиною вибухів є перегрів конденсатора, що викликається в більшості випадків витоком або підвищенням еквівалентного послідовного опору внаслідок старіння (актуально для імпульсних пристроїв). Для зменшення пошкоджень інших деталей і травматизму персоналу в сучасних конденсаторах великої ємності встановлюють клапан або виконують насічку на корпусі (часто можна помітити її у формі літери X, K або Т на торці). При підвищенні внутрішнього тиску відкривається клапан або корпус руйнується по насічці, випарувався електроліт виходить у вигляді їдкого газу, і тиск спадає без вибуху і осколків.

Реальні конденсатори, крім ємності, володіють також власними опором і індуктивністю. З високим ступенем точності, еквівалентну схему реального конденсатора можна представити таким чином:

- власна ємність конденсатора; - опір ізоляції конденсатора; - еквівалентний послідовний опір; - еквівалентна послідовна індуктивність.

Опір ізоляції - це опір конденсатора постійному струму, яке визначається співвідношенням r = U / I_ут , де U - напруга, прикладена до конденсатора, I_ут - струм витоку.

Еквівалентний послідовний опір (ЕРС, англ. ESR) Обумовлено головним чином електричним опором матеріалу обкладок і висновків конденсатора і контакту (-ів) між ними, а також втратами в діелектрику. Зазвичай ЕПС зростає зі збільшенням частоти струму, що протікає через конденсатор.

У більшості випадків цим параметром можна знехтувати, але іноді (напр., У разі використання електролітичних конденсаторів у фільтрах імпульсних блоків живлення) досить мале його значення може бути життєво важливим для надійності пристрою (див., Напр., Capacitor plague(Англ.)).

Еквівалентна послідовна індуктивність обумовлена, в основному, власної індуктивністю обкладок і висновків конденсатора. На низьких частотах (до одиниць кілогерц) зазвичай не враховується в силу своєї меншовартості.

Тангенс кута втрат - відношення уявної і дійсної частини комплексної діелектричної проникності.

Втрати енергії в конденсаторі визначаються втратами в діелектрику і обкладках. При протіканні змінного струму через конденсатор вектори напруги і струму зрушені на кут , де - кут діелектричних втрат. При відсутності втрат . Тангенс кута втрат визначається відношенням активної потужності P_а до реактивної P_р при синусоїдальній напрузі певної частоти. Величина, зворотна , називається добротністю конденсатора. Терміни добротності і тангенса кута втрат застосовуються також для котушок індуктивності і трансформаторів.

ТКЕ - відносне зміни ємності при зміні температури навколишнього середовища на один градус Цельсія (Кельвіна). Таким чином значення ємності від температури представляється лінійної формулою:

де Delta-T - збільшення температури в ° C або ° К відносно нормальних умов, за яких специфіковане значення ємності. TKE застосовується для характеристики конденсаторів зі значною лінійною залежністю ємності від температури. Однак ТКЕ визначається не для всіх типів конденсаторів. Конденсатори, що мають нелінійну залежність ємності від температури, і конденсатори з великими відходами ємності від впливу температури навколишнього середовища в позначенні мають вказівку на відносну зміну ємності в робочому діапазоні температур.

Якщо заряджений конденсатор швидко розрядити до нульової напруги шляхом підключення низкоомной навантаження, а потім зняти навантаження і спостерігати за напругою на виводах конденсатора, то ми побачимо, що напруга повільно підвищується. Це явище отримало назву діелектричне поглинання або адсорбція електричного заряду. Конденсатор поводиться так, немов паралельно йому підключено безліч послідовних RC-ланцюжків з різною постійної часу. Інтенсивність прояву цього ефекту залежить в основному від властивостей діелектрика конденсатора. Подібний ефект можна спостерігати і на більшості електролітичних конденсаторів, але в них він є наслідком хімічних реакцій між електролітом і обкладинками. Найменшим діелектричним поглинанням володіють конденсатори з органічними діелектриками: тефлон (фторопласт), полістирол, поліетилентерефталат, полікарбонат.

Основна класифікація конденсаторів проводиться за типом діелектрика в конденсаторі. Тип діелектрика визначає основні електричні параметри конденсаторів: опір ізоляції, стабільність ємності, величину втрат та ін.

По виду діелектрика розрізняють:

• Конденсатори вакуумні (Обкладання без діелектрика знаходяться у вакуумі).
• Конденсатори з газоподібним діелектриком.
• Конденсатори з рідким діелектриком.
• Конденсатори з твердим неорганічним діелектриком: скляні (стеклоемальовиє, стеклокерамические, стеклоплёночние), слюдяні, керамічні, тонкошарові з неорганічних плівок.
• Конденсатори з твердим органічним діелектриком: паперові, металопаперові, плівкові, комбіновані - бумажноплёночние, тонкошарові з органічних синтетичних плівок.
• Електролітичні і оксидно-напівпровідникові конденсатори. Такі конденсатори відрізняються від всіх інших типів насамперед своєю величезною питомою ємністю. В якості діелектрика використовується оксидний шар на металевому аноді. Друга обкладка (катод) - це або електроліт (у електролітичних конденсаторах) або шар напівпровідника (у оксидно-напівпровідникових), нанесений безпосередньо на оксидний шар. Анод виготовляється, залежно від типу конденсатора, з алюмінієвої, ниобиевой або танталовой фольги або спеченого порошку.

Крім того, конденсатори розрізняються по можливості зміни своєї ємності:

• Постійні конденсатори - основний клас конденсаторів, що не міняють своєї ємності (крім як протягом терміну служби).
• Змінні конденсатори - конденсатори, які допускають зміну ємності в процесі функціонування апаратури. Управління ємністю може здійснюватися механічно, електричною напругою (Варіконди, варикапи) і температурою (термо-конденсатори). Застосовуються, наприклад, в радіоприймачах для перебудови частоти резонансного контуру.
• Конденсатори підлаштування - конденсатори, ємність яких змінюється при разової або періодичної регулюванню і не змінюється в процесі функціонування апаратури. Їх використовують для підлаштування та вирівнювання початкових ємностей сполучених контурів, для періодичного підлаштування та регулювання ланцюгів схем, де потрібна незначна зміна ємності.

В залежності від призначення можна умовно розділити конденсатори на конденсатори загального та спеціального призначення. Конденсатори загального призначення використовуються практично у більшості видів і класів апаратури. Традиційно до них відносять найбільш поширені низьковольтні конденсатори, до яких не пред'являються особливі вимоги. Всі інші конденсатори є спеціальними. До них відносяться високовольтні, імпульсні, помехоподавляюшіе, дозиметричні, пускові та інші конденсатори.

Конденсатори знаходять застосування практично у всіх галузях електротехніки.

• Конденсатори (спільно з котушками індуктивності та / або резисторами) використовуються для побудови різних ланцюгів з частотно-залежними властивостями, зокрема, фільтрів, ланцюгів зворотного зв'язку, коливальних контурів і т. П ..

• При швидкому розряді конденсатора можна отримати імпульс великої потужності, наприклад, в фотоспалахах, імпульсних лазерах з оптичним накачуванням, генераторах Маркса, (ГІН- ГИТ), генераторах Кокрофта-Уолтона і т. П.

• Так як конденсатор здатний тривалий час зберігати заряд, то його можна використовувати в якості елемента пам'яті або пристрої зберігання електричної енергії.

• У промисловій електротехніці конденсатори використовуються для компенсації реактивної потужності і в фільтрах вищих гармонік.

• Вимірювальний перетворювач (ІП) малих переміщень: мале зміна відстані між обкладинками дуже помітно позначається на ємності конденсатора.
• ІП вологості повітря (зміна складу діелектрика призводить до зміни ємності)
• ІП вологості деревини

• У схемах РЗіА конденсатори використовуються для реалізації логіки роботи деяких захистів. Зокрема, у схемі роботи АПВ використання конденсатора дозволяє забезпечити необхідну кратність спрацьовування захисту.

• Опис роботи конденсатора і ємності на аналогії з водопроводом.
• Статичні конденсатори для компенсації реактивної потужності
• Програма для розрахунку реактивного опору конденсатора
• Електричний конденсатор - Вікіпедія