Ємність конденсатора: види і застосування; принципи роботи та маркування

Конденсатором називається елемент електричного кола, який служить в якості накопичувача заряду.

Областей застосування цього пристрою зараз багато, чим і обумовлений їх великий асортимент. Вони різняться за матеріалами, з яких виготовлені, призначенням, діапазону основного параметра. Але головною характеристикою є його ємність конденсатора.

Принцип роботи конденсатора

Конструкція

На схемах конденсатор позначається у вигляді двох паралельних ліній, не пов’язаних між собою:

Це відповідає його найпростішої конструкції — двох пластин (обкладкам), розділених діелектриком. Фактичне виконання цього виробу найчастіше являє собою загорнуті в рулон обкладки з прошарком діелектрика або інші химерні форми, але суть залишається тією ж самою.

Ємність конденсатора

Електрична ємність – здатність провідника накопичувати електричні заряди. Чим більше заряд вміщує провідник при даній різниці потенціалів, тим більша ємність. Залежність між зарядом Q і потенціалом φ виражається формулою:

C=Q/φ

де Q — заряд у кулонах (Кл), φ — потенціал у вольтах (В).

Ємність вимірюється в фарадах (Ф), що ви пам’ятаєте з уроків фізики. На практиці частіше зустрічаються більш дрібні одиниці: миллифарад (мФ), микрофарад (мкФ), нанофарад (нФ), пікофарад (пФ).

Накопичувальна здатність залежить від геометричних параметрів провідника, діелектричної проникності середовища, де він знаходиться. Так, для сфери з провідного матеріалу вона буде виражатися формулою:

C=4πεε0R

де ε0—8,854·10^-12 Ф/м-електрична постійна, а ε — діелектрична проникність середовища (таблична величина для кожної речовини).

В реальному житті нам частіше доводиться мати справу не з одним провідником, а з системами таких. Так, у звичайному плоскому конденсаторі ємність буде прямо пропорційна площі пластин і назад — відстані між ними:

C=εε0S/d

ε тут — діелектрична проникність прокладки між пластинами.

Ємність паралельних і послідовних систем

Паралельне з’єднання ємностей являє собою один великий конденсатор з тим же шаром діелектрика і сумарною площею пластин, тому загальна ємність системи являє собою суму таких у кожного з елементів. Напруга при паралельному з’єднанні буде одним і тим же, а заряд розподілиться між елементами схеми.

C=C1+C2+C3

Послідовне з’єднання конденсаторів характеризується загальним зарядом і розподіленим напругою між елементами. Тому не підсумовується ємність, а зворотна їй величина:

1/C=1/С1+1/С2+1/С3

З формули ємності одиночного конденсатора можна вивести, що при однакових елементів, з’єднаних послідовно, їх можна представити у вигляді одного великого з тією ж площею обкладки, але з сумарною товщиною діелектрика.

Властивості конденсатора

Реактивний опір

Конденсатор не може проводити постійний струм, що видно з його конструкції. У такому ланцюгу він може тільки заряджатися. Зате в ланцюгах змінного струму він прекрасно працює, постійно перезаряжаясь. Якщо не обмеження, що виходять з властивостей діелектрика (можна пробити при перевищенні межі напруги), цей елемент заряджався б нескінченно (т. зв. ідеальний конденсатор, щось на зразок абсолютно чорного тіла, ідеального газу) в ланцюзі постійного струму, а струм через нього проходити не буде. Простіше кажучи, опір конденсатора в ланцюзі постійного струму нескінченно.

При змінному струмі ситуація інша: чим вище частота в ланцюзі, тим менше опір елемента. Таке опір називається реактивним, і він обернено пропорційно частоті і ємності:

Z=1/2πfC

де f — частота в герцах.

Накопичувач енергії

Енергія, запасена зарядженим конденсатором, може бути виражена формулою:

E=(CU^2)/2=(q^2)/2C

де U — напруга між обкладками, а q — накопичений заряд.

Конденсатор в коливальному контурі

В замкнутому контурі, що містить котушку і конденсатор, може бути згенерований змінний струм.

Після зарядки конденсатора він почне саморазряжаться, даючи зростаючий по силі струм. Енергія розрядження конденсатора стане рівною нулю, зате магнітна енергія котушки — максимальною. Зміна величини струму викликає ЕРС самоіндукції котушки, і вона за інерцією пропустить струм в бік другої обкладки, поки та не повністю зарядиться. В ідеальному випадку такі коливання нескінченні, а в реальності вони швидко затухають. Частота коливань залежить від параметрів як котушки, так і конденсатора:

де L — індуктивність котушки.

Паразитна індуктивність

Конденсатор може володіти власною індуктивністю, що можна спостерігати при підвищенні частоти струму в ланцюзі. В ідеальному випадку ця величина незначна, і їй можна знехтувати, але в реальності, коли обкладки являють собою згорнуті пластинки, не рахуватися з цим параметром не можна, особливо якщо мова йде про високих частотах. У таких випадках конденсатор поєднує в собі дві функції, і являє собою своєрідний коливальний контур з власною резонансною частотою.

Щоб домогтися коректної роботи схеми, рекомендується застосовувати конденсатори, у яких резонансна f більше власної частоти в ланцюзі.

Експлуатаційні характеристики

Крім зазначених вище ємності, власної індуктивності та енергоємності, реальні конденсатори (а не ідеальні) мають ще низку властивостей, які потрібно враховувати при виборі цього елемента для ланцюга. До них відносяться:

  • номінальна напруга;

  • полярність;
  • струм витоку;
  • опір матеріалу обкладок;
  • діелектричні втрати;
  • залежність ємності від температури.

Щоб зрозуміти, звідки беруться втрати, необхідно роз’яснити, що являють собою графіки синусоїдальних струму та напруги в цьому елементі. Коли конденсатор заряджений максимально, струм у його обкладках дорівнює нулю. Відповідно, коли максимальний струм, напруга відсутня. Тобто напруга і струм зрушені по фазі на кут 90 градусів. В ідеалі конденсатор має тільки реактивною потужністю:

Q=Isin 90

В реальності ж обкладки конденсатора володіють власним опором, а частина енергії витрачається на нагрівання діелектрика, що зумовлює її втрати. Найчастіше вони незначні, але іноді ними нехтувати не можна. Основною характеристикою цього явища служить тангенс кута діелектричних втрат, який представляє собою відношення активної потужності (даваемой малими втратами в діелектрику) і реактивної. Виміряти цю величину можна теоретично, представивши реальну ємність у вигляді еквівалентної схеми заміщення — паралельної або послідовною.

Визначення тангенса кута діелектричних втрат

При паралельному з’єднанні величина втрат визначається відношенням струмів:

tgδ = Ir/Ic = 1/(ωCR)

У разі послідовного з’єднання кут обчислюється співвідношенням напруг:

tgδ = Ur/Uc = ωCR

У реальності для вимірювання tgδ користуються приладом, зібраний за мостовою схемою. Його застосовують для діагностики втрат в ізоляції у високовольтного обладнання. З допомогою вимірювальних мостів можна вимірювати та інші параметри мереж.

Номінальна напруга

Цей параметр зазначається на маркуванні. Він показує граничну величину напруги, яка може бути подана на обкладки. Перевищення номіналу може привести до пробою конденсатора і виходу його з ладу. Залежить цей параметр від властивостей діелектрика та його товщини.

Полярність

Деякі конденсатори мають полярність, тобто в схему його необхідно підключати строго певним чином. Пов’язано це з тим, що в якості однієї з обкладок використовується який-небудь електроліт, а діелектриком служить оксидна плівка на іншому електроді. При зміні полярності електроліт просто руйнує плівку і конденсатор перестає працювати.

Температурний коефіцієнт ємності

Він виражається відношенням ΔC/CΔT де ΔT — зміна температури навколишнього середовища. Найчастіше ця залежність лінійна і незначна, але для конденсаторів, що працюють в агресивних умовах, ТКЄ вказується у вигляді графіка.

Руйнування конденсатора

Вихід конденсатора з ладу обумовлений двома основними причинами — пробоєм і перегрівом. І якщо у випадку пробою деякі види здатні до самовідновлення, то перегрів з часом призводить до руйнування.

Перегрів обумовлений як зовнішніми причинами (нагріванням сусідніх елементів схеми), так і внутрішніми, зокрема, еквівалентним послідовним опором обкладок. В електролітичних конденсаторах він призводить до випаровування електроліту, а в оксиднополупроводниковых — до пробою і хімічної реакції між танталом і оксидом марганцю.

Небезпека руйнування в тому, що часто воно відбувається з імовірністю вибуху корпусу.

Технічне виконання конденсаторів

Класифікувати конденсатори можна за кількома групами. Так, в залежності від можливості регулювати ємність їх поділяють на постійні, змінні і підстроювальні. За своєю формою вони можуть бути циліндричними, сферичними і плоскими. Можна ділити їх за призначенням. Але найпоширенішою класифікацією є така типу діелектрика.

Паперові конденсатори

В якості діелектрика використовується папір, дуже часто — промаслена. Як правило, такі конденсатори відрізняє великий розмір, але були варіанти і в невеликій виконанні, без промаслення. Використовуються в якості стабілізуючих і накопичувальних пристроїв, а з побутової електроніки поступово витісняються більш сучасними плівковими моделями.

При відсутності промаслення мають істотний недолік — реагують на вологість повітря навіть при герметичній упаковці. Промокла папір збільшує енерговитрати.

Діелектрик у вигляді органічних плівок

Плівки можуть бути виконані з органічних полімерів, таких як:

  • полиэтилентерифталат;
  • поліамід;
  • полікарбонат;
  • полісульфон;
  • поліпропілен;
  • полістирол;
  • фторопласт (політетрафторетилен).

Порівняно з попередніми, такі конденсатори мають більш компактні розміри, не збільшують діелектричні втрати при збільшенні вологості, але багато з них піддаються ризику виходу з ладу при перегріві, а ті, що цього недоліку позбавлені, відрізняються більш високою вартістю.

Твердий діелектрик неорганічний

Це може бути слюда, скло і кераміка.

Перевагою цих конденсаторів вважається їх стабільність і лінійність залежності ємності від температури, прикладеної напруги, а у деяких — навіть від радіації. Але іноді така сама залежність стає проблемою, і чим вона менш виражена, тим дорожче виріб.

Оксидний діелектрик

З ним випускаються алюмінієві, твердотілі і танталові конденсатори. Вони мають полярність, тому виходять з ладу при неправильному підключенні і перевищення номіналу напруги. Але при цьому вони володіють гарною ємністю, компактні і стабільні в роботі. При правильній експлуатації можуть працювати близько 50 тис. годин.

Вакуум

Такі пристрої являють собою скляну або керамічну колбу з двома електродами, звідки викачано повітря. У них практично відсутні втрати, але мала ємність і крихкість обмежують сферу їх застосування радіостанціями, де величина ємності не так важлива, а ось стійкість до нагрівання має принципове значення.

Подвійний електричний шар

Якщо подивитися, для чого потрібен конденсатор, то можна зрозуміти, що цей тип — не зовсім він. Швидше, це додатковий або резервний джерело живлення, в якості чого вони використовуються. Одні категорія таких пристроїв — іоністори — містять в собі активоване вугілля і шар електроліту, інші працюють на іонах літію. Ємність цих приладів може складати до сотень фарад. До їх недоліків можна віднести високу вартість і активний опір з струмами витоку.

Маркування конденсаторів

Яким би не був конденсатор, є два обов’язковим параметри, які повинні бути відображені в маркуванні — це його ємність і номінальна напруга.

Крім цього, на більшості з них існує цифро-літерне позначення його характеристик. Відповідно до російськими стандартами конденсатори маркуються чотирма знаками.

Перша буква До означає «конденсатор», наступна цифра — вид діелектрика, далі слід покажчик призначення у вигляді букви; останній значок може означати як тип конструкції, так і номер розробки, це вже залежить від заводу-виробника. Третій пункт часто пропускається. Використовується така маркування на досить великих виробах, де її можна розмістити. По ГОСТ розшифровка буде виглядати так:

Перші літери:

  1. К — конденсатор постійної ємності.
  2. КТ — підстроєчник.
  3. КП — конденсатор змінної ємності.

Друга група — тип діелектрика:

  • 1, 61 — вакуум;

  • 2, 60 — повітря;
  • 3 — газ;
  • 4 — твердий;
  • 10, 15 — кераміка;
  • 20 — кварц;
  • 21 — скло;
  • 22 — склокераміка;
  • 23 — склоемаль;
  • 31, 32 — слюда;
  • 40, 41, 42 — папір;
  • 50 — алюмінієвий електролітичний;
  • 51 — танталовий;
  • 52 — об’ємно-пористий;
  • 53, 54 — оксидні;
  • 71 — полістирол;
  • 72 — фторопласт;
  • 73 — ПЕТ;
  • 75 — комбінований;
  • 76 — лак і плівка;
  • 77 — полікарбонат.

На маленьких конденсаторах всього цього не розмістити, тому там застосовується скорочена маркування, що з незвички може навіть вимагати калькулятора, а іноді — лупу. У цій маркуванні зашифровані ємність, номінал напруги і відхилення від основного параметра. Інші параметри наносити немає сенсу: це, як правило, керамічні конденсатори.

Маркування керамічних конденсаторів

Іноді з ними все просто — ємність відзначена числом і одиницями: pF — пікофарад, nF — нанофарад, мкф — микрофарад, mF — миллифарад. Тобто, напис 100nF можна читати прямо. Номінал, відповідно, числом і буквою V. Але іноді не вміщується і це, тому застосовують скорочення. Так, часто ємність вміщується в трьох цифрах (103, 109 і т. д.), де остання означає число нулів, а перші дві — ємність в пикофарадах. Якщо в кінці стоїть цифра 9, значить, нулів немає, а між першими двома ставлять кому. При цифрі 8 на кінці кому переносять ще на один знак назад.

Наприклад, позначення 109 розшифровується як 1 пікофарад, а 100-10 пікофарад; 681-680 пікофарад, або 0,68 нанофарад, а 104 — 100 тис. пФ або 100нФ

Часто можна зустріти першу букву одиниці вимірювання в якості комою: p50–0,5 пФ, 1n5–1,5 нФ, 15μ – 15 мкФ, 15m – 15 мФ. Іноді замість p пишеться R.

Після трьох цифр може стояти літера, яка означає розкид параметра ємності:

  1. B — +/-0,1 пФ.

  2. C — +/-0,25 пФ.
  3. D- +/-0,5 пФ.
  4. F — +/-1%.
  5. G — +/-2%.
  6. J — +/-5%.
  7. K — +/-10%.
  8. M — +/-20%.
  9. Z — до 80% відхилення.

Якщо ви вираховує характеристику ланцюга в одиницях СІ, то для того, щоб знайти ємність у фарадах, необхідно пам’ятати показники ступенів числа 10:

  1. -3 — миллифарады;
  2. -6 — микрофарады;
  3. -9 — нанофаради;
  4. -12 — пикофарады.

Таким чином, 01 пФ — це 0,1 *10^-12 Ф.

На пристроях SMD ємність в пикофарадах позначає буква, а цифра після неї — ступінь 10, на яке треба помножити значення.

літера C літера C літера C літера C
A 1 J 2,2 S 4,7 a 2,5
B 1,1 K 2,4 T 5,1 b 3,5
C 1,2 L 2,7 U 5,6 d 4
D 1,3 M 3 V 6,2 e 4,5
E 1,5 N 3,3 W 6,8 f 5
F 1,6 P 3,6 X 7,5 m 6
G 1,8 Q 3,9 Y 8,2 n 7
Y 2 R 4,3 Z 9,1 t 8

Номінальна робоча напруга таким же чином може маркуватися буквою, якщо повністю його написати проблематично. У Росії прийнятий наступний стандарт буквеного позначення номіналу:

літера V літера V
I 1 K 63
R 1,6 L 80
M 2,5 N 100
A 3,2 P 125
C 4 Q 160
B 6,3 Z 200
D 10 W 250
E 16 X 315
F 20 T 350
G 25 Y 400
H 32 U 450
S 40 V 500
J 50

Незважаючи на списки і таблиці, краще все-таки вивчити кодування конкретного виробника — в різних країнах вони можуть відрізнятися.

До деяких конденсаторів додається більш розгорнутий опис їх характеристик.

Ємність конденсатора