Конденсатор: применение и виды. Что такое конденсатор
В электротехнике и электронике кроме есть ряд других пассивных компонентов. Один из них – конденсатор. Его используют в фильтрах, как накопитель энергии в источниках питания, как компенсатор реактивной мощности, а также в других сферах. В этой статье мы рассмотрим, как работает конденсатор и что это такое вообще.
Определение
Слово конденсатор происходит от латинского «condensatio», что переводится как «накопление». В физике этот термин употребляется для описания целой ниши электротехнических изделий, назначение которых работать как накопитель энергии. Количество накопленной энергии зависит от ёмкости и квадрата напряжения на его обкладках, поделенное на 2. При этом ток через него протекает только в процессе заряда. Но обо всем по порядку.
E=(CU 2)/2
Если сказать по-простому, то конденсатор – это устройство способное накапливать энергию в . В простейшем варианте состоит из двух проводников (обкладок), разделённых диэлектриком. На рисунке ниже вы видите упрощенную схему внешнего устройства плоского конденсатора. Условное обозначение на схеме представляет собой 2 черты высотой в 8 мм, на расстоянии в 1,5 мм друг от друга.
Принцип работы
Теперь, когда мы знаем, как обозначается данный элемент на схемах, нужно рассмотреть принцип работы конденсатора. Когда обкладки конденсатора подключают к источнику питания, электрические заряды от положительного и отрицательного зажима ИП устремляются к обкладкам, скапливаясь на них.
Электрический ток прерывается после заряда конденсатора до номинальной ёмкости, так как между обкладками находится слой диэлектрика он не может протекать постоянно. Когда источник питания отключат, на конденсаторе останутся заряды, а значит и останется напряжение на его выводах.
Заряды, скопившиеся на каждой из обкладок, противоположны. Соответственно та обкладка, что была подключена к плюсовому выводу источника питания – заряжена положительно, а та, что к минусовому – отрицательно. Принцип работы этого изделия основан на притяжении разноименных зарядов в электрической цепи.
Простыми словами конденсатор сохранит ту энергию, которая была передана от источника питания – в этом и кроется его назначение. Однако на практике есть разнообразные потери и утечки.
Интересно! Лейденская банка – это прообраз современных конденсаторов, родившийся на свет в 1745 году. Это устройство было способно накапливать энергию и извлекать искры при замыкании его обкладок. Внешний вид и конструкцию вы видите ниже.
А на рисунке ниже вы видите конструкцию простейшего плоского конденсатора – две обкладки, разделенные диэлектриком:
Так как ёмкость прямо пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между ними – то чтобы увеличить ёмкость, инженеры разработали ряд других форм конденсаторов. Например, свёрнутые в спираль обкладки – так их площадь становилась во много раз больше при тех же габаритных размерах, а также цилиндрические и сферические решения.
Один из законов коммутации гласит, что напряжение на обкладках конденсатора не может изменится скачком, что и иллюстрирует следующая миниатюра.
Виды
Классификация конденсаторов может происходить по различным критериям.
По постоянству ёмкости:
- Постоянные.
- Переменные. Их ёмкость может изменяться либо вручную оператором (пользователем) устройства, либо под воздействием напряжения (как в варикапах и варикондах).
По полярности прикладываемого напряжения:
- Неполярные – могут работать в цепях переменного тока.
- Полярные – при подключении напряжения неправильной полярности выходят из строя.
В зависимости от того, где используются эти компоненты, различают разные варианты по материалу:
Основные технические характеристики
Если вы ремонтируете или разрабатываете электронное устройство, вам понадобится подбирать подходящий конденсатор для замены вышедшего из строя. А для этого нужно ознакомиться с основными техническими характеристиками конденсатора, от которых зависит его работа в электрической цепи.
Номинальная емкость. Характеризует основное назначение компонента — какой заряд он может запасать. Основная характеристика измеряется в фарадах [Ф]. Однако такая единица измерения слишком большая, поэтому используют доли:
- Милифарады, мФ – 0, 001 Ф (10 -3);
- Микрофарады, мкФ – 0, 000 001 Ф (10 -6);
- Нанофарады, нФ – 0, 000 000 001 Ф (10 -9);
- Пикофарады, пФ – 0, 000 000 000 001 Ф (10 -12).
Номинальное напряжение - это такое напряжение, до которого конденсатор может гарантировано работать в нормальном режиме. При превышении этого значения с большой долей вероятности происходит пробой диэлектрика. Может быть от единиц вольт (для электролитов) и до тысяч вольт (плёнка и керамика). При ремонте эта величина должна быть не ниже, чем у вышедшего из строя, выше – можно!
Допуск отклонения - насколько реальная ёмкость может отличаться от заявленной номинальной. Может достигать 20-30%, но есть и высокоточные модели с допуском до 1% — для применения в цепях, где требуется особая точность.
Температурный коэффициент емкости - этот параметр важен для электролитов. У алюминиевых конденсаторов при понижении температуры понижается ёмкость и увеличивается удельное электрическое сопротивление (в англ. ESR)
ESR – эквивалентное последовательное сопротивление, также важен для электролитов. Простым языком – чем он больше, тем хуже. У вздувшихся кондёров ESR повышается.
В таблице ниже вы видите допустимые значения ESR для различных номинальных емкостей и напряжений.
Где и для чего применяются
Всё же ответим на вопрос «для чего предназначен конденсатор?» с практической точки зрения. Для этого рассмотрим несколько схем.
Самое широкое применение электролитические конденсаторы нашли в качестве уже не раз упомянутого фильтра сетевых пульсаций в блоках питания. На схеме ниже изображено, где именно устанавливается электролит. Чем больше нагрузка – тем большая ёмкость электролита нужна для сглаживания пульсаций.
Следующее место, где применяются конденсаторы – это фильтры высоких и низких частот. Ниже на схеме приведены типовые включения. Таким образом в акустических системах разводят басы, средние и высокие частоты по динамикам без применения активных компонентов.
Балластные блоки питания часто используются для зарядки небольших аккумуляторов и питания маломощных устройств, таких как дешевые светодиодные лампочки, радиоприёмники и прочие. Плёночный конденсатор устанавливается последовательно с питающим устройством, ограничивая ток за счёт своего реактивного сопротивления – в этом и заключается принцип работы такой простой схемы.
Свойства конденсатора
Конденсатор не пропускает постоянный ток и является для него изолятором.
Для переменного тока конденсатор не является преградой. Сопротивление конденсатора (ёмкостное сопротивление) переменному току уменьшается с увеличением его ёмкости и частоты тока, и наоборот, увеличивается с уменьшением его ёмкости и частоты тока.
Свойство конденсатора оказывать разное сопротивление переменному току нашло широкое применение. Конденсаторы используют для фильтрации, отделения одних частот от других, отделения переменной составляющей от постоянной…
Из чего делают конденсаторы
Простейший конденсатор состоит из 2-х металлических пластин (обкладок), разделённых изолятором (диэлектриком). Если одну обкладку конденсатора зарядить положительно, а другую отрицательно, то разноимённые заряды, притягиваясь друг к другу, будут удерживаться на обкладках. Поэтому конденсатор может быть накопителем электрической энергии.
Обкладки конденсатора обычно изготавливают из алюминия, меди, серебра, тантала. В качестве диэлектрика применяют специальную конденсаторную бумагу, слюду, синтетические плёнки, воздух, специальную керамику и т.п.
Если использовать обкладки из фольги и многослойный пленочный диэлектрик, то можно изготовить конденсаторы рулонного типа, у которых удельная аккумулирующая способность находится приблизительно в пределах от 0,1 J/kg до 1 J/kg или от 0,03 mWh/kg до 0,3 mWh/kg. Из-за малой удельной аккумулирующей способности конденсаторы такого вида не подходят для длительного сохранения существенного количества энергии, но они широко применяются как источники реактивной мощности в цепях переменного тока и как емкостные сопротивления. Значительно более эффективно энергия может аккумулироваться в электролитических конденсаторах, принцип устройства которых изображен на рис. 2.
1 металлический лист или фольга (алюминий, тантал или др.),
2 диэлектрик из окиси металла (Al2O3 , Ta2O5 или др.),
3 бумага и т. п., пропитанная электролитом (H3BO3 , H2SO4 , MnO2 или др.) и глицерином.Так как толщина слоя диэлектрика в этом случае обычно остается в пределах 0,1 µm, то эти конденсаторы могут изготовляться с очень большой емкостью (до 1 F), но на относительно малое напряжение (обычно на несколько вольт).
Еще большую емкость могут иметь ультраконденсаторы (супер-конденсаторы, ионисторы), обкладками которых служит двойной электрический слой толщиной в несколько десятых долей нанометра на границе раздела электрода, изготовленного из микропористого графита, и электролита (рис. 3).
1 электроды из микропористого графита,
2 электролит
Эффективная площадь обкладок таких конденсаторов достигает, благодаря пористости, до 10 000 m2 на каждый грамм массы электродов, что позволяет достигать очень большой емкости при очень малых размерах конденсатора. В настоящее время ультраконденсаторы выпускаются на напряжение до 2,7 V и емкостью до 3 kF. Их удельная аккумулирующая способность находится обычно в пределах от 0,5 Wh/kg до 50 Wh/kg и имеются опытные образцы с удельной аккумулирующей способностью до 300 Wh/kg.
Выгодны они тогда, когда энергия потребляется в виде коротких импульсов (например, для питания стартера двигателей внутреннего сгорания) или когда требуется быстрая (секундная) зарядка аккумулирующего устройства. Например, в 2005 году в Шанхае началась опытная эксплуатация ультраконденсаторных автобусов, батарея конденсаторов которых заряжается во время стоянки автобуса на каждой остановке.
При выборе конденсатора для конкретного устройства нужно учитывать следующие обстоятельства:
а) требуемое значение емкости конденсатора (мкФ, нФ, пФ),
б) рабочее напряжение конденсатора (то максимальное значение напряжения, при котором конденсатор может работать длительно без изменения своих параметров),
в) требуемую точность (возможный разброс значений емкости конденсатора),
г) температурный коэффициент емкости (зависимость емкости конденсатора от температуры окружающей среды),
д) стабильность конденсатора,
е) ток утечки диэлектрика конденсатора при номинальном напряжении и данной температуре. (Может быть указано сопротивление диэлектрика конденсатора.)
Применение
Во всех радиотехнических и электронных устройствах кроме транзисторов и микросхем применяются конденсаторы. В одних схемах их больше, в других меньше, но совсем без конденсаторов не бывает практически ни одной электронной схемы.
При этом конденсаторы могут выполнять в устройствах самые разные задачи. Прежде всего, это емкости в фильтрах выпрямителей и стабилизаторов. С помощью конденсаторов передается сигнал между усилительными каскадами, строятся фильтры низких и высоких частот, задаются временные интервалы в выдержках времени и подбирается частота колебаний в различных генераторах.
Свою родословную конденсаторы ведут от лейденской банки, которую в середине XVIII века в своих опытах использовал голландский ученый Питер ван Мушенбрук. Жил он в городе Лейдене, так что нетрудно догадаться, почему так называлась эта банка.
Собственно это и была обыкновенная стеклянная банка, выложенная внутри и снаружи оловянной фольгой – станиолем. Использовалась она в тех же целях, как и современная алюминиевая, но тогда алюминий открыт еще не был.Единственным источником электричества в те времена была электрофорная машина, способная развивать напряжение до нескольких сотен киловольт. Вот от нее и заряжали лейденскую банку. В учебниках физики описан случай, когда Мушенбрук разрядил свою банку через цепь из десяти гвардейцев взявшихся за руки.В то время никто не знал, что последствия могут быть трагическими. Удар получился достаточно чувствительным, но не смертельным. До этого не дошло, ведь емкость лейденской банки была незначительной, импульс получился очень кратковременным, поэтому мощность разряда была невелика.
Конденсаторы - это не только элементы радио и электрических цепей. В природе мы встречаемся с естественными конденсаторами во время грозы, когда разноимённо заряженные облака разряжаются относительно друг друга или земли. Образуется молния и гремит гром.
Конденсаторы широко применяют в системах энергоснабжения промышленных предприятий и электрифицированных железных дорог для улучшения использования электрической энергии при переменном токе. На э. п. с. и тепловозах конденсаторы используют для сглаживания пульсирующего тока, получаемого от выпрямителей и импульсных прерывателей, борьбы с искрением контактов электрических аппаратов и с радиопомехами, в системах управления полупроводниковыми преобразователями, а также для создания симметричного трехфазного напряжения, требуемого для питания электродвигателей вспомогательных машин. В радиотехнике конденсаторы служат для создания высокочастотных электромагнитных колебаний, разделения электрических цепей постоянного и переменного тока и др. 1.В радиотехнической и телевизионной аппаратуре – для создания колебательных контуров, их настройки, блокировки, разделения цепей с различной частотой, в фильтрах выпрямителей и т.д.
2.В радиолакационной технике – для получения импульсов большей мощности, формирования импульсов и т.д.
3. В телефонии и телеграфии – для разделения цепей переменного и постоянного токов, разделения токов различной частоты, искрогашения в контактах, симметрирования кабельных линий и т.д.
4. В автоматике и телемеханике – для создания датчиков на емкостном принципе, разделения цепей постоянного и пульсирующего токов, искрогашения в контактах, в схемах тиратронных генераторов импульсов и т.д.
5. В технике счетно-решающих устройств – в специальных запоминающих устройствах и т.д.
6. В электроизмерительной технике – для создания образцов емкости, получения переменной емкости (магазины емкости и лабораторные переменные конденсаторы), создания измерительных приборов на емкостном принципе и т. д.
7. В лазерной технике – для получения мощных импульсов.
В современной электроэнергетике конденсаторы находят себе также весьма разнообразное и ответственное применение:
для улучшения коэффициента мощности и промышленных установок (косинусные или шунтовые конденсаторы);
для продольной емкости компенсации дальних линий передач и для регулирования напряжения в распределительных сетях (серийные конденсаторы);
для емкостного отбора энергии от линий передач высокого напряжения и для подключения к линиям передач специальной аппаратуры связи и защитной аппаратуры (конденсаторы связи);
для защиты от перенапряжений;
для применения в схемах импульсов напряжения (ГИН) и генераторов мощных импульсов тока (ГИТ), используемых при испытаниях электротехнической аппаратуры;
для электрической сварки разрядом;
для пуска конденсаторных электродвигателей (пусковые конденсаторы) и для создания нужного сдвига фаз в дополнительной обмотке этих двигателей;
в устройствах освещения люминесцентными лампами;
для подавления радиопомех, создаваемых электрическими машинами и подвижным составом электрифицированного транспорта.
Кроме электроники и электроэнергетики, конденсаторы применяют и в других неэлектротехнических областях техники и промышленности для следующих основных целей:
В металлопромышленности - в высокочастотных установках для плавки и термической обработки металлов, в электроэрозионных (электроискровых) установках, для магнитоимпульсной обработки металлов и т.д.
В добывающей промышленности (угольной, металлорудной и т.п.) – в рудничном транспорте на конденсаторных электровозах нормальной и повышенной частоты (бесконтактных), в электровзрывных устройствах с использованием электрогидравлического эффекта и т.д.
В автотракторной технике – в схемах зажигания для искрогашения в контактах и для подавления радиопомех.
В медицинской технике – в рентгеновской аппаратуре, в устройствах электротерапии и т.д.
В технике использования атомной энергии для мирных целей – для изготовления дозиметров, для кратковременного получения больших токов и т.д.
В фотографической технике – для аэрофотосъемки, получения вспышки света при обычном фотографировании и т.д.
Разнообразие областей применения обусловливает исключительно большое разнообразие типов конденсаторов, используемыз современной техникой. Поэтому наряду с миниатюрными конденсаторами, имеющими вес менее грамма и размеры порядка нескольких миллиметров, можно встретить конденсаторы с весом в несколько тонн и по высоте превышающие человеческий рост. Емкость современных конденсаторов может составлять от долей пикофарады до нескольких десятков и даже сотен тысяч микрофарад в единице, а номинальное рабочее напряжение может лежать в пределах от нескольких вольт до нескольких сотен киловольт.
Роль конденсатора в электронной схеме заключается в накоплении электрического заряда, разделения постоянной и переменной составляющей тока, фильтрации пульсирующего тока и многое другое
В советское время, когда многие стационарные электронные часы питались от розетки, а компактные и дешевые аккумуляторы еще не изобрели, умельцы ставили туда конденсаторы, чтобы при пропадании электроэнергии, например кратковременном, они могли работать и не сбить свой ход.
§ 1.1. Функции и области применения
Электрические конденсаторы в электрон-
ных, радиотехнических, электротехнических
и электроэнергетических устройствах выпол-
няют функции накопителя энергии, источ-
ника реактивной мощности, частотно-зави-
симого реактивного сопротивления. Осуще-
ствляют они это благодаря своей способ-
ности накапливать электрическую энергию,
а затем отдавать ее в нагрузочную цепь.
Импульсы тока большой мощности ис-
пользуются для создания экстремальных
по напряженности магнитных полей и мощ-
ных дуговых разрядов в газах и жидко-
Импульсы высокого и сверхвысокого
напряжений применяются в технике высо-
ких напряжений в испытательных и иссле-
довательских целях.
Емкостные накопители энергии исполь-
зуются в установках для исследования
физики плазмы, термоядерных реакций, ис-
пытаний различного оборудования, в элект-
ротехнологических устройствах (магнитно-
импульсная штамповка, установки, исполь-
зующие электрогидравлический удар, им-
пульсная электросварка, намагничивание,
ультразвуковая технология, электроискро-
вая технология обработки, электроплазмо-
лиз и т. д.). Накопительные конденсаторы
широко используются в различных устрой-
ствах импульсной связи, радиолокации,
навигации, в импульсных источниках све-
та (высокоинтенсивные источники - лам-
пы-вспышки, сигнальные установки - мая-
ки, оптические квантовые генераторы - ла-
зеры и т. д.), импульсной рентгеновской
Конденсаторы применяются в технике
сейсморазведки (электродинамическое им-
пульсное возбуждение упругих волн в зем-
ной коре), для подрыва детонаторов, в ме-
дицине (импульсный дефибриллятор)
Накопители для генераторов мощных им-
пульсов тока могут быть простейшими (в
виде конденсатора или батарей конденса-
торов) и более сложными (искусственные
длинные линии, например, цепочный фор-
мирователь, либо набор параллельных LC-
формирователей).
В них конденсаторы относительно дол-
го накапливают электрическую энергию от
сравнительно маломощного источника, а
затем быстро отдают ее в нагрузку. Нако-
пительные конденсаторы используются, в
частности, в днодно-конденсаторных умно-
жителях напряжения.
Основным рабочим процессом в ряде
устройств с емкостным накоплением энер-
гии является не отдача ее в нагрузку, а
накопление. Способность конденсатора
быстро накапливать электрическую энер-
гию используется при создании различных
устройств для защиты электрического обо-
рудования и его элементов от перенапря-
жений, обусловленных грозовыми или ком-
мутационными явлениями. Это свойство, а
также сравнительно малые габариты, вы-
сокая надежность конденсаторов обусло-
вили, в частности, их широкое использова-
ние в демпфирующих цепях мощных
высоковольтных преобразователей, для вы-
равнивания напряжений на последователь-
но включенных вентилях.
В тиристорных преобразователях (вы-
прямителях, инверторах, импульсных регу-
ляторах), в бесконтактной коммутацион-
ной аппаратуре конденсаторы применяют
для принудительного включения и выклю-
чения диодов и вентилей с неполной управ-
ляемостью. Коммутирующие конденсаторы
в бесконтактных аппаратах работают в
накопительном режиме, тогда как в пре-
образователях рабочими процессами обыч-
но являются заряд и разряд (или пере-
заряд) конденсатора.
Свойство конденсатора накапливать
электрическую энергию широко применяет-
ся и для подавления импульсных помех в
различном электронном оборудовании, для
создания ячеек памяти ЭВМ, интегрирова-
ния и дифференцирования электрических
сигналов (аналоговые ЭВМ, системы ав-
томатики, управления и т. д.).
Широко используются накопительные
свойства конденсаторов при их применении
в разнообразных импульсных устройствах
малой мощности: в генераторах импульсов
тока и напряжения специальной формы
(развертывающие, измерительные устройст-
ва н т. д.). в автоколебательных и спуско-
вых устройствах. Конденсаторы очень час то служат источником реактивной мощ-
ности. Это свойство проявляется тогда,
когда на них воздействует переменное
(обычно синусоидальное по форме) напря-
жение. Ток, протекающий через конденса-
тор, опережает напряжение на угол, близ-
кий к π/2, т. е. конденсатор, почти не по-
требляя активную мощность, генерирует
реактивную. Эта способность используется
для повышения коэффициента мощности
потребителей электрической энергии путем
частичной или полной компенсации их
реактивной мощности, что снижает потери
энергии в генераторах, трансформаторах,
электрических сетях, повышает устойчи-
вость параллельной работы энергосистем,
стабилизирует напряжение у потребителей.
Для повышения устойчивости парал-
лельной работы и пропускной способности
линий электропередачи, а также для улуч-
шения режима работы энергосистем при-
меняют установки продольной компенса-
ции, главным элементом которых являют-
ся мощные батареи конденсаторов, осуще-
ствляющие компенсацию индуктивных
сопротивлений высоковольтных линий
электропередачи. Установки продольной
компенсации реактивной мощности исполь-
зуются на электрифицированных железных
В последнее время батареи конденсато-
ров продольной компенсации стали приме-
няться для руднотермнческих плавильных
печей большой мощности (тысячи и десят-
ки тысяч киловатт), т. е. при резко пере-
менной нагрузке.
Продольная емкостная компенсация
реактивной мощности эффективно исполь-
зуется для пуска асинхронных машин
большой мощности при их питании по ли-
ниям с большим сопротивлением (линии
недостаточной мощности и относительно
большой длины). В энергосистемах кон-
денсаторы применяются в батареях как
продольной, так и поперечной централизо-
ванной компенсации реактивной мощности.
Они обеспечивают снижение потерь энер-
гии и улучшают режимы работы энерго-
систем (совместно с электростанциями
обеспечивают необходимые напряжения в
узлах и потоки энергии). В обоих видах
батарей используется последовательно-па-
раллельное соединение большого числа
единичных конденсаторов.
Конденсаторы широко применяются не
только в установках централизованной
компенсации реактивной мощности, но и в
установках для групповой и индивидуаль-
ной компенсации. Такими примерами мо-
гут служить конденсаторы для светильни-
ков с газоразрядными лампами, пусковые
и рабочие конденсаторы однофазных асин-
хронных электродвигателей (в этом случае
основная функция конденсаторов заключа-
ется в создании фазового сдвига π/2
между токами обмоток двигателей), кон-
денсаторы, повышающие очень низкий
коэффициент мощности индукционных
электротермических установок промышлен-
ной и повышенных частот. Групповая и
индивидуальная компенсация реактивной
мощности потребителей дает большой эко комический эффект в связи со снижением
потерь энергии при ее передаче, уменьше-
нием посадки напряжения при пиковых
реконструкции энергетических сетей (из-за
недостаточной мощности питающих линий,
трансформаторов и т. д.).
Способность конденсаторов компенси-
ровать реактивную мощность потребителей
электроэнергии применяется не только на
частоте 50-6 0 Гц, но и на повышенных
частотах работы, например, бортовых сис-
тем транспортных средств, электротермиче-
ских установок. В этом случае существен-
но снижаются масса и габариты первично-
го генератора электроэнергии.
Компенсация конденсаторами реактив-
ной мощности асинхронной машины позво-
ляет создавать асинхронные генераторы,
эффективные при переменной скорости вра-
щения первичного двигателя (гидравличе-
ские, газовые турбины). В них конденсато-
ры обеспечивают возбуждение магнитного
потока и компенсацию реактивной мощ-
ности нагрузки.
Полная компенсация конденсаторами
реактивной мощности катушек индуктив-
ностей происходит также в мощных коле-
бательных контурах генераторов радиопе-
редатчиков. Без конденсаторов невозможна
работа этих устройств с высоким коэффи-
циентом полезного действия и малыми ис-
кажениями, а также генерирование боль-
ших активных мощностей.
Другое свойство конденсаторов - изме-
нять свое реактивное сопротивление при
переменном токе обратно пропорционально
частоте (x с =1/2 π / С)-широк о использу-
ется при создании различных фильтров в
радиотехнических, электронных, электро-
технических устройствах, служащих для
разделения напряжений и токов различных
Фильтры низких, высоких частот, поло-
совые и режекторные, представляющие со-
бой комбинацию индуктивных и емкостных,
резистнвных и емкостных элементов, явля-
ются неотъемлемыми узлами большинства
электронных и радиотехнических устройств.
Фильтры используются также в энергети-
ческих системах. С их помощью маломощ-
ные высокочастотные сигналы, применяе-
мые для связи, телемеханики, систем про-
тивоаварийной автоматики и других целей,
отделяются от напряжений промышленной
частоты высокого напряжения. Силовые
фильтры используются в электроэнергети-
ке для приближения формы напряжения к
синусоидальной при наличии источников
высших гармоник (выпрямителей), дуго-
вых печей и др.), в силовых полупровод-
никовых преобразователях, работающих в
автономном или в ведомом сетью режиме.
В реактивных фильтрах, резонансных
умножителях напряжения и других устрой-
ствах используются резонансные свойства
цепей, состоящих из конденсаторов к ии-
дуктнвностей.
Конденсаторы применяются в фильтрах
не только переменного, но н постоянного
тока, в которых полезной составляющей
является постоянное напряжение, а задача
фильтра заключается в сглаживании пуль
саций напряжения (путем снижения пере-
менной составляющей), т. е. здесь одно-
временно используется способность кон-
денсатора накапливать энергию и снижать
свое сопротивление с частотой. Такие
фильтры применяются в блоках питания
различных электронных и электротехни-
ческих устройств, например, в высоковольт-
ных установках электростатической окрас-
ки, очистки газов, в импульсных стабилиза-
торах напряжения, ЭВ М и др.
Свойство конденсаторов снижать свое
сопротивление с ростом частоты обуслав-
ливает их широкое использование в элект-
ронной и радиоэлектронной аппаратуре в
качестве блокирующего или помехоподав-
ляющего элемента. Роль конденсатора в
этом и в предыдущем случаях заключает-
ся в том, чтобы замкнуть путь высокочас-
тотных токов, не допустив их прохожде-
ния через другие цепи и элементы уст-
ройств, например в питающую сеть.
Конденсаторы являются неотъемлемым
элементом фазосдвигающих цепей элект-
ронных устройств систем автоматики, уп-
равления, в LC- и RС-генераторах, в ак-
тивных фильтрах и т. д.
Одна из многочисленных задач, решае-
мых с помощью конденсаторов, заключает-
ся в делении переменного напряжения,
осуществляемого при различных изменени-
ях в высоковольтных цепях, в электроэнер-
гетических системах, испытательных уста-
новках, в равномерном распределении на-
пряжения на разрывных промежутках воз-
душных высоковольтных выключателей и
для других целей.
Конденсаторы широко используются:
В емкостных делителях напряжения
для отбора энергии от высоковольтных ли-
ний электропередачи (при небольших мощ-
ностях стоимость конденсаторного отбора
ниже стоимости устройства отбора энергии
с помощью обычных трансформаторов);
Как балластное сопротивление в лю-
минесцентных источниках света, лампах
накаливания, а также в маломощных ус-
тройствах для зарядки аккумуляторов;
Во вторичных источниках питания со
специальными характеристиками (стабили-
заторы тока, напряжения), в частности, в
индуктивно-емкостных преобразователях,
служащих для питания неизменным током
установок плазменной технологии, сварки
Индуктивно-емкостные устройства при-
меняются и для симметрирования напря-
жений трехфазной сети при наличии несим-
метричных потребителей, а также для соз-
дания расщепителей числа фаз, необходи-
мых для питания трехфазных потребителей
от однофазной сети.
Таким образом, область применения
конденсаторов достаточно широка: энерге-
тика, промышленность, транспорт, устрой-
ства связи, автоматика, вещание, локация,
измерительная и вычислительная техника
Справочник
по электрическим
конденсаторам
Общие сведения,
выбор и применение
Под общей редакцией
кандидата технических наук
В. В. Ермуратског о
Электрический конденсатор - один из самых распространених радио элементов, служит он для накопления электроэнергии (заряда). Самый простой конденсатор можно представить в виде двух металлических пластин (обкладок) и диэлектрика который находится между ними.
Когда к конденсатору подключают источник напряжения, то на его обкладках (пластинах) появляются противоположные заряды и возникнет электрическое поле притягивающие их друг к другу, и даже после отключения источника питания, такой заряд остается некоторое время и энергия сохраняется в электрическом поле между обкладками.
В электронных схемах роль конденсатора также может состоять не только в накоплении заряда но и в разделения постоянной и переменной составляющей тока, фильтрации пульсирующего тока и разных других задачах.
В зависимости от задач и факторов работы, конденсаторы используются очень разных типов и конструкций. Здесь мы рассмотрим наиболее популярные типы конденсаторов.
Конденсаторы алюминиевые электролитические
Это может быть, например, конденсатор К50-35 или К50-2 или же другие более новые типы.Они состоят из двух тонких полосок алюминия свернутых в рулон, между которыми в том же рулоне находится пропитанная электролитом бумага в роли диэлектрика.
Рулон находится в герметичном алюминиевом цилиндре, чтобы предотвратить высыхание электролита.
На одном из торцов конденсатора (радиальный тип корпуса) или на двух торцах которого (аксиальный тип корпуса) располагаются контактные выводы. Выводы могут быть под пайку либо под винт.
В электролитических конденсаторах емкость исчисляется в микрофарадах и может быть от 0.1 мкф до 100 000 мкф. Как правило большая емкость и характеризует этот тип конденсаторов.
Еще одним из важных параметров есть максимальное рабочее напряжение, которое всегда указывается на корпусе и в конденсаторах этого типа может быть до 500 вольт!
Среди недостатков данного типа можно рассмотреть 3 причины:
1. Полярность. Полярные конденсаторы недопустимы с работой в переменном токе. На корпусе обозначаются соответствующими значками выводы конденсатора, как правило конденсаторы с одним выводом минусовой контакт имеют на корпусе, а плюсовой на выводе.
2. Большой ток утечки. Естественно такие конденсаторы не годятся для длительного хранения энергии заряда, но они хорошо себя зарекомендовали в качестве промежуточных элементов, в фильтрах активных схем и пусковых установках двигателей.
3.Снижение емкости с увеличением частоты. Такой недостаток легко устраняется с помощью параллельно подключенного керамического конденсатора с очень маленькой ёмкостью.
Керамические однослойные конденсаторы
Такие типы, например как К10-7В, К10-19, КД-2. Максимальное напряжения такого типа конденсаторов лежит в пределах 15 - 50 вольт, а ёмкость от 1 пФ до 0.47 мкф при сравнительно небольших размерах довольно не плохой результат технологии.У данного типа характерны малые токи утечки и низкая индуктивность что позволяет им легко работать на высоких частотах, при постоянном, переменном и пульсирующих токах.
Тангенс угла потерь tgδ не превышает обычно 0,05, а максимальный ток утечки – не более 3 мкА.
Конденсаторы данного типа спокойно переносят внешние факторы, такие как вибрация с частотой до 5000 Гц с ускорением до 40 g, многократные механические удары и линейные нагрузки.
Маркировка на корпусе конденсатора обозначает его номинал. Три цифры расшифровываются следующим образом. Если две первые цифры умножать на 10 в степени третьей цифры, то получится значение емкости данного конденсатора в пф. Так, конденсатор с маркировкой 101 имеет емкость 100 пф, а конденсатор с маркировкой 472 — 4,7 нф. Для удобства составлены таблицы наиболее "ходовых" ёмкостей конденсаторов и их маркировочные коды.
Наиболее часто применяются в фильтрах блоков питания и как фильтр поглощающий высокочастотные импульсы и помехи.
Керамические многослойные конденсаторы
Например К10-17А или К10-17Б.
В отличии от вышеописанных, состоят уже из нескольких слоев металлических пластин и диэлектрика в виде керамики, что позволяет иметь им большую ёмкость чем у однослойных и может быть порядка нескольких микрофарад, но максимальное напряжение у данного типа все также ограничено 50 вольтами.
Применяются в основном как фильтрующие элементы и могут исправно работать как с постоянным так и с переменным и пульсирующим током.
Керамические высоковольтные конденсаторы
Например К15У, КВИ и К15-4Максимальное рабочее напряжение данного типа может достигать 15 000 вольт! Но ёмкость у них небольшая, порядка 68 - 100 нФ.
Работают они как с переменным так и с постоянным током. Керамика в качестве диэлектрика создает нужное диэлектрическое свойство выдерживать большое напряжение, а особая форма защищает конструкцию от пробоя пластин.
Применение у них самое разнообразное, например в схемах вторичных источников питания в качестве фильтра для поглощения высокочастотных помех и шумов, или в конструирование катушек Тесла, мощной и ламповой радиоаппаратуре.
Танталовые конденсаторы
Например К52-1 или smd А. Основным веществом служит - пентоксид тантала, а в качестве электролита - диоксид марганца.
Твердотельный танталовый конденсатор состоит из четырех основных частей: анода, диэлектрика, электролита (твердого или жидкого) и катода.
По рабочим свойствам танталовые конденсаторы схожи с электролитическими, но рабочее максимальное напряжение ограничено 100 вольтами, а ёмкость как правило не превышает 1000 мкФ.
Но в отличии от электролитических, у данного типа собственная индуктивность намного меньше что дает возможность их использования на высоких частотах, до несколько сотен килогерц.
Основной причиной выхода из строя бывает превышение максимального напряжения.
Применение у них в большинстве наблюдается в современных платах электронных устройств, что возможно из за конструктивной особенности smd-монтажа.
Полиэстеровые конденсаторы
Например K73-17 или CL21, на основе металлизированной пленки...Весьма популярные из за небольшой стоимости конденсаторы встречающиеся в почти всех электронных устройствах, например в балластах энергосберегающих ламп. Их корпус состоит из эпоксидного компаунда что придает конденсатору устойчивость к внешним неблагоприятным факторам, химическим растворам и перегревам.
Ёмкость таких конденсаторов идет порядка 1 нф - 15мкф и максимальное рабочее напряжение у них от 50 до 1500 вольт.
Большой диапазон максимального напряжения и ёмкости дает возможность использования полиэстеровых конденсаторов в цепях постоянного, переменного и импульсных токов.
Полипропиленовые конденсаторы
Например К78-2 и CBB-60.В данного типа конденсаторов в качестве диэлектрика выступает полипропиленовая пленка. Корпус изготовлен из негорючих материалов, а сам конденсатор призначен для работы в тяжелых условиях.
Ёмкость, как правило в пределах 100пф - 10мкф, но в последнее время выпускают и больше, а по поводу напряжение то большой запас может достигать и 3000 вольт!
Преимущество этих конденсаторов заключается не только в высоком напряжении, но и в чрезвычайно низком тангенсе угла потерь, поскольку tg? может не превышать 0,001, что позволяет использовать конденсаторы на больших частотах в несколько сотен килогерц и применять их в индукционных обогревателях и пусковых установках асинхронных электродвигателей.
Пусковые конденсаторы (CBB-60) могут иметь ёмкость и до 1000мкф что стает возможным из за особенностей конструкции такого типа конденсаторов. На пластиковый сердечник наматывается металлизированная полипропиленовая пленка, а сверху весь этот рулон покрывается компаундом.
Конденсатор представляет собой две пластины, разделенные слоем диэлектрика. Если к обкладкам положить постоянное напряжение, то одна пластина зарядится положительно, другая отрицательно. После отключения конденсатора заряды на обкладках сохранятся, что позволяет использовать этот прибор в качестве накопителя электрической энергии. Количество накопленной энергии (емкость) зависит от площади обкладок, их материала, свойств и типа диэлектрика, проложенного между обкладками. Основная единица измерения емкости – фарад (Ф). Это достаточно большая величина, на практике обычно используются доли фарада — микрофарад (мкФ), нанофарад (нФ), пикофарад (пФ).
1Ф = 1000000мкФ;
1мкФ = 1000нФ;
1нФ = 1000 пФ.
Второй параметр любого конденсатора, который очень важен – номинальное (рабочее) напряжение конденсатора. Это напряжение, подводимое к обкладкам, превышать которое нельзя, иначе конденсатор выйдет из строя. Напряжение в вольтах и емкость нередко обозначаются на корпусе самого конденсатора.
Следующий параметр присущ не всем типам конденсаторов – полярность. Если конденсатор полярный, то к его выводам можно прикладывать только постоянное напряжение, причем «+» источника на положительную обкладку, «-» – на отрицательную. Полярность тоже обозначается на корпусе, чаще маркировкой одного вывода (либо «+» либо «-«).
Вот так полярность обозначается на smd-конденсаторах
Полоска «минусов» расположена напротив вывода «-«
А на отечественных конденсаторах «плюсик» может стоять прямо на корпусе (сбоку или на торце)
У этого типа «минус» всегда на корпусе
Если конденсатор неполярный, то он может работать в цепях переменного и постоянного тока, причем во втором случае за полярностью напряжения следить не нужно.
На электрических схемах конденсаторы обозначаются следующим образом:
Здесь слева неполярный конденсатор, а второе и третье обозначение соответствует полярному конденсатору, причем на третьем рисунке знак «+» может отсутствовать.
И в качестве примера:
Конденсаторы на схемах обозначаются символом С, таким образом конденсатор С1 — неполярный емкостью 100 нанофарад, С2 — полярный, емкостью 30 микрофарад на номинальное напряжение 15 В.
Важно! Заменить конденсатор можно любым подходящей емкости и соответствующего типа, но на напряжение НЕ НИЖЕ указанного на схеме. Выше — пожалуйста.
Конденсатор - это двухполюсник с определённым или переменным значением ёмкости и малой проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля.
Конденсатор является пассивным электронным компонентом. В простейшем варианте конструкция состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. Практически применяемые конденсаторы имеют много слоёв диэлектрика и многослойные электроды, или ленты чередующихся диэлектрика и электродов, свёрнутые в цилиндр или параллелепипед со скруглёнными четырьмя рёбрами (из-за намотки).
Изобрел первую конструкцию-прототип электрического конденсатора «лейденскую банку» в 1745 году, в Лейдене, немецкий каноник Эвальд Юрген фон Клейст и независимо от него голландский физик Питер ван Мушенбрук.
Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течёт, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора, замыкаясь так называемым током смещения.
Резонансная частота конденсатора равна: f р = 1/ (2∏ ∙ √ L с ∙ C ) .
При f > fp конденсатор в цепи переменного тока ведёт себя как катушка индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах f < fp , на которых его сопротивление носит ёмкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 2-3 раза ниже резонансной.
Отечественные неполярные конденсаторы:
На электрических принципиальных схемах номинальная ёмкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1 мкФ = 1·10 6 пФ = 1·10 −6 Ф) и пикофарадах, но нередко и в нанофарадах (1 нФ = 1·10 −9 Ф). При ёмкости не более 0,01 мкФ, ёмкость конденсатора указывают в пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу измерения, то есть постфикс «пФ» опускают. При обозначении номинала ёмкости в других единицах указывают единицу измерения. Для электролитических конденсаторов, а также для высоковольтных конденсаторов на схемах, после обозначения номинала ёмкости, указывают их максимальное рабочее напряжение в вольтах (В) или киловольтах (кВ). Например так: «10 мкФ x 10 В». Для переменных конденсаторов указывают диапазон изменения ёмкости, например так: «10 - 180».
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.
Обозначение на схемах:
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 типичнного 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.
Вакуумный конденсатор:
Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения своей ёмкости:
- Постоянные конденсаторы - основной класс конденсаторов, не меняющие своей ёмкости (кроме как в течение срока службы).
- Переменные конденсаторы - конденсаторы, которые допускают изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление ёмкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды, варикапы) и температурой (термоконденсаторы). Применяются, например, в радиоприёмниках для перестройки частоты резонансного контура.
- Подстроечные конденсаторы - конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение ёмкости.
Два бумажных электролитических конденсатора 1930 года:
В зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят наиболее распространённые низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы.
Серебрянный конденсатор для аудио.
Также различают конденсаторы по форме обкладок:
