Для чего нужен конденсатор: что это такое в электрической цепи и как он устроен

Содержание
  1. Для чего нужен конденсатор?
  2. Принцип работы конденсаторов
  3. Устройство конденсаторов
  4. Пакетная конструкция
  5. Трубчатая конструкция
  6. Дисковая конструкция
  7. Литая секционированная конструкция
  8. Рулонная конструкция
  9. Где используются конденсаторы
  10. Поведение конденсатора в цепях постоянного и переменного тока
  11. Виды и классификация конденсаторов
  12. Электролитические конденсаторы
  13. Пленочные и металлопленочные конденсаторы
  14. Керамические конденсаторы
  15. Бумажные и металлобумажные конденсаторы
  16. Полярные и неполярные конденсаторы
  17. Алюминиевые электролитические
  18. Танталовые электролитические
  19. Полимерные
  20. Свойства
  21. Основные параметры и характеристики
  22. Емкость
  23. Удельная емкость
  24. Плотность энергии
  25. Номинальное напряжение
  26. Полярность
  27. От чего зависит ёмкость конденсатора
  28. Сопротивления конденсатора в зависимости от
  29. Частоты и сдвига фаз
  30. Номинала конденсатора
  31. Заряд и разряд конденсатора — RC-цепочка
  32. Резистор и время заряда конденсатора
  33. Формулы для вычисления
  34. Посредством математических выражений
  35. Плоского
  36. Сферического
  37. Цилиндрического
  38. Как зависит емкость от среды диэлектрика
  39. Паразитные параметры конденсаторов
  40. Обозначение конденсаторов на схеме
  41. Особенности соединения нескольких конденсаторов в цепи
  42. Последовательное
  43. Параллельное
  44. Маркировка конденсаторов
  45. Способы обозначения конденсатора
  46. Код конденсаторов импортного производства
  47. Кодовая для конденсаторов поверхностного монтажа
  48. Дата выпуска
  49. Расположение маркировки на корпусе
  50. Цветовая маркировка отечественных радиоэлементов
  51. Маркировка конденсаторов импортного производства
  52. Цветовая маркировка импортных конденсаторов
  53. Как измерить емкость
  54. Мультиметром
  55. Осциллографом
  56. Тестером не имеющим прямой функции
  57. Мостовыми измерителями
  58. Единицы расчета
  59. Математическое выражение фарада
  60. Диэлектрическая проницаемость
  61. Как проверить работоспособность конденсатора
  62. Проверка полярного конденсатора
  63. Проверка неполярного конденсатора
  64. Выбор и эксплуатация

Для чего нужен конденсатор?

Это устройство имеет множество применений. Мы не будем перечислять их все, упомянем лишь некоторые.

1) Фильтрация волн в силовых цепях. Конденсаторы часто ставят на входе и выходе преобразователей напряжения, на входе питания микросхем. В этом случае конденсаторы служат своего рода амортизатором, способным сглаживать скачки напряжения, подобно тому, как амортизаторы в автомобиле сглаживают неровности на дороге.

2) Сроки электрических цепей. Конденсаторы разной емкости заряжаются и разряжаются в разное время. Эта функция используется в устройствах, где необходимо отсчитывать определенные периоды времени. Например, с помощью резистора и конденсатора в микросхеме таймера 555 задается период импульсов и скважность (урок таймера 555).

3) Сенсорные датчики. В качестве одной из обкладок конденсатора может выступать человек. Эту особенность нашего тела используют в своей работе сенсорные кнопки, сенсорные экраны и сенсорные панели некоторых видов.

4) Хранение данных. Конденсаторы используются для хранения данных в оперативной памяти (RAM). Каждый модуль указанной памяти содержит миллиарды отдельных конденсаторов, которые можно заряжать или разряжать, что интерпретируется как единица или ноль.

И это далеко не все варианты использования этого незаменимого устройства. Попробуем разобраться, как конструкция конденсатора позволяет ему выполнять столько полезных функций!

Принцип работы конденсаторов

Когда цепь подключена к источнику электрического тока, электрический ток начинает течь через конденсатор. В начале прохождения тока через конденсатор его сила имеет максимальное значение, а напряжение минимальное. По мере накопления устройством заряда ток полностью падает, а напряжение растет.

В процессе накопления заряда на одной пластине накапливаются электроны, а на другой — положительные ионы. Заряд между пластинами не течет из-за наличия диэлектрика. Затем устройство накапливает заряд. Это явление называется накоплением электрических зарядов, а конденсатор – накоплением электрического поля.

Устройство конденсаторов

Конструкции современных конденсаторов разнообразны, но можно выделить несколько типовых вариантов:

Пакетная конструкция

Применяется в эмалированных стеклянных, керамических и стеклокерамических конденсаторах. Пакеты состоят из чередующихся слоев пластин и диэлектрика. Пластины могут быть изготовлены из фольги или могут быть нанесены на диэлектрические, напыленные или отожженные пластины.

Каждый пакетный конденсатор имеет верхнюю и нижнюю пластины с контактами на концах корпуса. Выводы делаются из полосок проволоки или ленты. Пакет запрессован, запаян, покрыт защитной эмалью.

Трубчатая конструкция

Эта конструкция может иметь высокочастотные конденсаторы. Они представляют собой керамическую трубку с толщиной стенки 0,25 мм. На его внешнюю и внутреннюю стороны методом обжига наносится токопроводящий слой серебра. Снаружи деталь обрабатывается изолирующим веществом. Внутренняя подкладка подведена к внешнему слою и прикреплена к гибкому ремешку.

Дисковая конструкция

Эта конструкция, как и трубчатая, используется при изготовлении высокочастотных конденсаторов.

Диэлектрик дисковых конденсаторов представляет собой керамический диск. Обжигаются серебряные пластины, к которым крепятся гибкие провода.

Литая секционированная конструкция

Он используется в монолитных многослойных керамических конденсаторах, применяемых в современной технике, в том числе с интегральными схемами. Деталь с 2 канавками изготовлена ​​из литой керамики. Бороздки заполнены серебряной пастой, которая фиксируется имплантацией. Гибкие кабели припаяны к серебряным вставкам.

Рулонная конструкция

Типичные для НЧ бумажно-пленочные конденсаторы с большой емкостью. Бумажная лента и металлическая фольга намотаны. В металлических и бумажных конденсаторах на бумажную ленту нанесен слой металла толщиной до 1 мкм.

Где используются конденсаторы

Конденсаторы используются практически во всех современных устройствах: сабвуферах, электродвигателях, автомобилях, насосах, электроинструментах, кондиционерах, холодильниках, мобильных телефонах и т.д.

По выполняемым функциям они делятся на общего назначения и узкоспециализированные.

Конденсаторы общего назначения представляют собой низковольтные накопительные устройства, используемые в большинстве типов электрооборудования.

К узкоспециализированным относятся высоковольтные, импульсные, шумоподавляющие дозиметрические пусковые конденсаторы.

Поведение конденсатора в цепях постоянного и переменного тока

В цепях постоянного тока заряженный конденсатор образует промежуток, препятствующий протеканию тока. Если к пластинам незаряженной детали приложить напряжение, потечет ток. При этом конденсатор зарядится, ток упадет, а напряжение на обкладках возрастет. Когда достигается равенство напряжений на пластинах и источнике питания, ток прекращается.

При постоянном напряжении конденсатор удерживает заряд при включении. После выключения нагрузка разряжается через нагрузки, присутствующие в цепи.

Заряженный конденсатор также не пропускает переменный ток. Но за один период синусоиды накопитель дважды заряжается и разряжается, поэтому ток имеет возможность протекать через конденсатор в период его разрядки.

Виды и классификация конденсаторов

Конденсаторы разных типов приспособлены к разным условиям эксплуатации, предназначены для выполнения определенных задач и имеют разные побочные эффекты.

Основной характеристикой, по которой классифицируют конденсаторы, является тип диэлектрика. Именно диэлектрический материал определяет многие характеристики конденсатора.

Электролитические конденсаторы

В электролитических конденсаторах анод — металлическая пластина, диэлектрик — оксидная пленка, катод — твердый, жидкий или гелеобразный электролит. Наличие гелеобразного электролита делает устройство полярным, то есть ток может течь через него только в одном направлении. Представителями этого семейства являются алюминиевые и танталовые конденсаторы.

Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют емкость от 0,1 до нескольких тысяч микрофарад. Обычно они используются на звуковых частотах. Электрохимическая ячейка плотно упакована, что обеспечивает большую эффективную индуктивность, что не позволяет использовать алюминиевые накопители на СВЧ.

В танталовых конденсаторах катод сделан из диоксида марганца. Сочетание большой площади поверхности анода и диэлектрических характеристик оксида тантала обеспечивает высокую удельную емкость (емкость на единицу объема или массы диэлектрика). Это означает, что танталовые конденсаторы намного компактнее алюминиевых конденсаторов той же емкости.

Танталовые конденсаторы имеют свои недостатки. Устройства первых поколений грешат сбоями, возможны пожары. Они могут возникать при подаче слишком большого пускового тока, который изменяет структурное состояние диэлектрика. Дело в том, что оксид тантала в аморфном состоянии является хорошим диэлектриком. При подаче большого пускового тока оксид тантала переходит из аморфного состояния в кристаллическое и становится проводником. Кристаллический оксид тантала еще больше увеличивает силу тока, что приводит к воспламенению. Современные танталовые конденсаторы изготавливаются по передовым технологиям и практически не выходят из строя, не вздуваются, не воспламеняются.

Пленочные и металлопленочные конденсаторы

Пленочные конденсаторы имеют диэлектрический слой полимерной пленки, зажатый между слоями металлической фольги.

Такие приборы имеют небольшую емкость (от 100 пФ до нескольких микрофарад), но могут работать при высоких напряжениях, до 1000 В.

Существует целое семейство пленочных конденсаторов, но все типы характеризуются малой емкостью и индуктивностью. Из-за малой индуктивности эти устройства используются в высокочастотных цепях.

Основные отличия конденсаторов с разным типом пленки:

  • Конденсаторы с диэлектриком в виде полипропиленовой пленки применяются в схемах, где предъявляются высокие требования к температурной и частотной стабильности. Они подходят для систем питания, подавления электромагнитных помех.
  • Диэлектрические конденсаторы с полиэфирной пленкой недороги и могут выдерживать высокие температуры пайки. Стабильность частоты по сравнению с полипропиленовыми типами ниже.
  • Конденсаторы с поликарбонатным диэлектриком и полистирольной пленкой, использовавшиеся в старых схемах, сегодня уже не актуальны.

Керамические конденсаторы

В керамических конденсаторах в качестве диэлектрика используются керамические пластины.

Керамические конденсаторы характеризуются небольшой емкостью — от одного пФ до нескольких десятков микрофарад.

Керамика обладает пьезоэлектрическим эффектом (способностью диэлектрика поляризоваться под действием механических сил), поэтому некоторые типы этих конденсаторов обладают микрофонным эффектом. Это нежелательное явление, когда часть электрической цепи воспринимает вибрации, как микрофон, вызывая помехи.

Бумажные и металлобумажные конденсаторы

Диэлектрик, используемый в этих конденсаторах, представляет собой бумагу, часто промасленную. Устройства из промасленной бумаги великолепны. Модели с непромасленной бумагой более компактны, но имеют существенный недостаток – увеличивают потери энергии под воздействием влаги даже в герметичной упаковке. В последнее время эти детали редко используются.

Полярные и неполярные конденсаторы

Очень важно разделить конденсаторы на полярные и неполярные.

Устройства на основе оксидов: электролитический алюминий и тантал, как правило, полярны, а это означает, что если их полярность поменять местами, они выйдут из строя. Кроме того, этот выход из строя будет сопровождаться бурными электрохимическими реакциями вплоть до взрыва конденсатора.

Взорванный конденсатор

Поляризованные конденсаторы всегда маркируются. Как правило, у электролитических конденсаторов в корпусе минусовая клемма (катод) маркируется контрастной полосой, у танталовых (в желтых прямоугольных коробках) плюсовая клемма (анод) маркируется полосой. Если есть сомнения по поводу маркировки, лучше посмотреть документацию на этот конденсатор и убедиться.

Неполярные конденсаторы можно включать в цепь с любой стороны. Например, многослойные керамические конденсаторы неполярны.

Алюминиевые электролитические

В устройствах этого типа футеровка анода выполнена из алюминиевой фольги. Поверхность покрыта оксидом металла, диэлектриком. Катодное покрытие представляет собой твердый или жидкий электролит, который подбирается таким образом, чтобы в процессе эксплуатации восстанавливался оксидный слой фольги. Самовосстанавливающийся диэлектрик продлевает срок службы элемента.

Конденсаторы этой конструкции требуют соблюдения полярности. При повторном включении он сломает корпус.

Устройства, внутри которых находятся встречно-последовательные полярные наборы, используются в 2-х направлениях. Емкость алюминиевых электролитических ячеек достигает нескольких тысяч микрофарад.

Что такое конденсатор, виды конденсаторов и их применение

Танталовые электролитические

Анодный электрод таких устройств изготавливается из пористой структуры, получаемой при нагревании порошка тантала до +2000°С. Материал похож на губку. Пористость увеличивает площадь поверхности.

С помощью электрохимического оксидирования на анод наносится слой пятиокиси тантала толщиной до 100 нанометров. Твердый диэлектрик изготавливается из диоксида марганца. Готовая конструкция запрессовывается в компаунд – специальную смолу.

Изделия из тантала используются при токовых частотах выше 100 кГц. Емкость создается до сотен микрофарад, при рабочем напряжении до 75 В.

Что такое конденсатор, виды конденсаторов и их применение

Полимерные

В конденсаторах используется электролит из твердых полимеров, что дает ряд преимуществ:

  • срок службы увеличивается до 50 тысяч часов;
  • параметры сохраняются при нагреве;
  • расширен диапазон допустимых пульсаций тока;
  • сопротивление пластин и проводников не является производной емкости.

Что такое конденсатор, виды конденсаторов и их применение

Свойства

Из описания видно, что для постоянного тока конденсатор является непреодолимой преградой, за исключением случаев пробоя диэлектрика. В таких электрических схемах используется радиоэлемент для накопления и запасания электричества в его электродах. Изменение напряжения происходит только в случаях изменения параметров тока в цепи. Эти изменения могут считывать другие элементы схемы и реагировать на них.

В цепях синусоидального тока конденсатор ведет себя как индуктор. Он пропускает переменный ток, но отсекает постоянную составляющую, а значит, может служить отличным фильтром. Такие радиоэлектронные элементы используются в цепях обратной связи, включаются в цепи колебательных контуров и т.д.

Другое свойство заключается в том, что переменная емкость может использоваться для изменения фаз. Существуют специальные пусковые конденсаторы (рис. 5), которые применяют для запуска трехфазных электродвигателей в однофазных электрических сетях.

Проводной пусковой конденсатор
Рис. 5. Проводной пусковой конденсатор

Основные параметры и характеристики

Способность.

Важным параметром конденсатора является его номинальная емкость. Для плоского конденсатора справедлива формула:

С = (ε*ε0*S)/d,

где ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика, S — размеры пластин (площадь пластин), d — расстояние между пластинами (пластинами).

Реальная емкость отдельных элементов обычно невелика, но можно получить конструкцию емкостью в несколько фарад, если соединить параллельно большое количество пластин. В этом случае фактическая емкость равна сумме всех емкостей пластин.

Максимальная емкость некоторых конденсаторов может достигать нескольких фарад.

Удельная мощность.

Величина, характеризующая связь между емкостью и объемом или массой радиокомпонента. Этот параметр важен в микроэлектронике, где очень важны размеры деталей.

Номинальное напряжение.

Одной из важных электрических характеристик является номинальное напряжение: значение максимальных напряжений, при которых конденсатор может работать без потери значений других своих параметров. При превышении критического значения, равного напряжению пробоя, происходит разрушение диэлектрика. Поэтому номинальное напряжение заведомо выбирается больше любой максимально возможной амплитуды синусоидального тока в цепи конденсатора.

Есть такие характеристики, как тангенс угла потерь, температурный коэффициент емкости, сопротивление утечки, диэлектрическое поглощение и др., представляющие интерес только для ограниченных специалистов, и их параметры можно найти в специальных справочниках.

Емкость

Этот показатель характеризует способность конденсатора накапливать электрический заряд. Емкость тем больше, чем больше площадь проводящих пластин и меньше толщина диэлектрического слоя. Кроме того, эта характеристика зависит от материала диэлектрика. Номинальная мощность указана на устройстве. Реальная производительность, в зависимости от условий эксплуатации, может в значительной степени отличаться от номинальной. Стандартные номиналы емкости варьируются от пикофарад до нескольких тысяч микрофарад. Некоторые модели могут иметь емкость в несколько десятков фарад.

Классические конденсаторы имеют положительную емкость, то есть чем больше приложенное напряжение, тем больше накопленный заряд. Но сегодня разрабатываются устройства с уникальными свойствами, которые ученые называют «антиконденсаторами». Они имеют отрицательную емкость, то есть при увеличении напряжения их заряд уменьшается и наоборот. Внедрение таких антиконденсаторов в электронной промышленности ускорит работу компьютеров и снизит риск их перегрева.

Что произойдет, если вы установите диск с большей или меньшей емкостью, чем требуется? Если же речь идет о сглаживании волн напряжения в блоках питания, то установка конденсатора емкостью выше требуемой (в разумных пределах — до 90% от номинала) в большинстве случаев улучшает ситуацию. Установка конденсатора меньшей емкости может ухудшить работу схемы. В остальных случаях возможность установки детали с параметрами, отличными от указанных, определяется конкретно для каждого случая.

Удельная емкость

Отношение номинальной емкости к объему (или массе) диэлектрика. Чем тоньше слой диэлектрика, тем выше удельная емкость, но ниже его напряжение пробоя.

Плотность энергии

Это понятие относится к электролитическим конденсаторам. Максимальная плотность характерна для больших конденсаторов, у которых масса оболочки значительно меньше массы обкладок и электролита.

Номинальное напряжение

Его значение отражается на корпусе и характеризует напряжение, при котором конденсатор работает в течение срока службы при колебаниях параметров в заданных пределах. Рабочее напряжение не должно превышать номинальное значение. Для многих конденсаторов номинальное напряжение уменьшается с повышением температуры.

Полярность

Полярные конденсаторы — это электролитические конденсаторы, которые имеют положительный и отрицательный заряд. В приборах отечественного производства на положительном электроде обычно ставили знак «+». На импортных приборах указывается отрицательный электрод, возле которого стоит знак «-». Такие конденсаторы могут выполнять свои функции только при правильном подключении полярности напряжения. Этот факт объясняется химическими особенностями реакции электролита с диэлектриком.

Что будет, если поменять полярность конденсатора? Обычно в этом случае устройства выходят из строя. Это связано с химическим разрушением диэлектрика, что вызывает увеличение силы тока, вскипание электролита и, как следствие, вздутие корпуса и вероятный взрыв.

К группе неполярных конденсаторов относится большинство накопителей заряда. Эти детали обеспечивают правильную работу при любом порядке подключения кабелей в цепи.

От чего зависит ёмкость конденсатора

Основная функция и роль конденсатора в цепи — накопление зарядов, а дополнительная функция — предотвращение утечки.

Величина емкости конденсатора прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости среды и площади пластин и обратно пропорциональна расстоянию между электродами. Есть 2 противоречия:

  1. Для увеличения емкости нужны максимально толстые, широкие и длинные электроды. При этом габариты устройства не могут быть увеличены.
  2. Для удержания зарядов и обеспечения нужной силы притяжения расстояние между пластинами сделано минимальным. В этом случае ток отключения нельзя уменьшить.

Что такое конденсатор, виды конденсаторов и их применение

Для разрешения конфликтов разработчики используют:

  • многослойные конструкции из пары диэлектрика и электрода;
  • пористые анодные структуры;
  • замена бумаги оксидами и электролитами;
  • параллельное соединение элементов;
  • заполнение свободного пространства веществами с повышенной диэлектрической проницаемостью.

Конденсаторы становятся все меньше и лучше с каждым новым изобретением.

Сопротивления конденсатора в зависимости от

Сопротивление конденсатора зависит от частоты приложенного к нему напряжения и коэффициента емкости.

Частоты и сдвига фаз

Накопитель заряда одной и той же емкости на разных частотах имеет разный уровень сопротивления.
Он растет или сжимается.

По мере увеличения частоты входного напряжения сопротивление (также называемое емкостным) уменьшается.

На низких частотах наблюдается фазовый сдвиг входного напряжения и напряжения на нагрузке.

С увеличением частоты фазовый сдвиг уменьшается.

Когда частота достигает определенного уровня, фазовый сдвиг стремится к нулю.

Хс = 1/ωС,

где ω — круговая частота, равная произведению 2πf,

C — емкость цепи в фарадах.

Номинала конденсатора

Емкость конденсатора влияет на процесс заряда и разряда при прохождении через него переменного тока.

Устройство с меньшей емкостью будет заряжаться быстрее и будет заряжаться снова.

Сопротивление переменному току будет выше, чем при медленной зарядке и разрядке.

Отсюда вывод: емкость обратно пропорциональна номиналу конденсатора.

Заряд и разряд конденсатора — RC-цепочка

Теперь обсудим процессы, происходящие внутри конденсатора при зарядке и разрядке. Для этого рассмотрим простейшую электрическую схему с конденсатором. С левой стороны схемы подключите источник питания. Кладем ключ и резистор сверху, а сам конденсатор справа. Участок цепи с конденсатором и резистором называется RC-цепью.

Схема зарядки конденсатора

При замыкании ключа в такой цепи образуется электрический ток, сила которого зависит от сопротивления резистора и внутреннего сопротивления самого конденсатора. Заряженные частицы будут устремляться к конденсатору, но не смогут пройти диэлектрический слой (по крайней мере, все сразу). В результате с одной стороны конденсатора накапливаются отрицательно заряженные частицы, а с другой — положительно заряженные. Концентрация заряженных частиц на пластинах создаст между ними мощное электрическое поле.

Формирование электрического поля в конденсаторе

Со временем напряжение на конденсаторе увеличивается, а ток уменьшается. После завершения процесса зарядки ток в цепи упадет практически до нуля. Останется лишь очень небольшой ток утечки, который образуется из-за того, что некоторые заряженные частицы все же успевают проскользнуть через слой диэлектрика. Напряжение, наоборот, будет почти равно напряжению источника.

Когда мы отключаем конденсатор от источника питания, этот же ток утечки будет постепенно разряжать конденсатор. Эта характеристика электрических конденсаторов не позволяет сделать контейнер для длительного хранения энергии. Хотя ионисторы частично решают эту проблему.

Резистор и время заряда конденсатора

Зачем нужен резистор в цепи? Что мешает подключить его напрямую к источнику? Этому есть две причины.

Резистор ограничивает ток, протекающий через конденсатор. Чем меньше заряженных частиц в единицу времени достигает конденсатора, тем дольше он заряжается.

Конденсатор заряжается и разряжается экспоненциально. Зная это, мы можем легко рассчитать время заряда/разряда на основе вашей емкости и сопротивления резистора.

График заряда конденсатора

Из изображения можно понять, что за время Т конденсатор зарядился на 63,2%. Но на данный момент 3Q уже на 95%. Время Т здесь равно произведению емкости конденсатора С на сопротивление R последовательно соединенного резистора:

Формула для времени заряда конденсатора

Например, у нас есть конденсатор на 100 мкФ, подключенный к резистору на 1 кОм. Подсчитаем, сколько секунд требуется для зарядки хотя бы до 95%:

Расчет времени заряда конденсатора

Теперь умножаем это на 3 и получаем 3T = 0,3 секунды; за это время конденсатор будет почти полностью заряжен.

Поэтому, изменяя емкость конденсатора и сопротивление, мы можем управлять временем его зарядки, что нам пригодится в дальнейшем.

Вторая важная причина наличия резистора в цепи — защита источника питания. Дело в том, что незаряженные конденсаторы имеют очень низкое внутреннее сопротивление, которое составляет доли ома. По сути, их можно рассматривать как обычные проводники. А что будет, если замкнуть силовые кабели проводником? Будет короткое замыкание! Такой режим работы схемы является аварийным для источника питания и его следует всячески избегать.

Формулы для вычисления

Измерения емкости проводятся по специально выведенной формуле.
Электрическая емкость (C) представляет собой отношение между зарегистрированным зарядом (Q) и результирующим потенциалом (U).
Формула, используемая для измерения емкости, выглядит следующим образом:
С=Q/V .
Единицей измерения является фарад, который обозначается буквой Ф.
Емкость в 1 фарад будет хранить заряд q = 1 кулон при напряжении на обкладках U = 1 вольт.
Так как конденсаторы имеют разные типы, то и формулы разные.

Посредством математических выражений

Математическое выражение для определения емкости конденсатора С = q * U в единицах измерения в системе СИ каждой из входящих в формулу
физические величины определяют стоимость 1 фарад.

Плоского

Обычно внутри планарного конденсатора между пластинами создается так называемое однородное поле. Только вблизи краев это свойство может нарушаться. Эти краевые эффекты часто упускают из виду при организации вычислений. Но такой подход приемлем только в том случае, если расстояние между пластинами достаточно мало по сравнению с линейными размерами.

Плоский конденсатор отличается своей емкостью, которая рассчитывается по формуле:

C = (Ee0S)/d.

E0 – постоянная электрическая величина.

S — площадь каждой пластины. Часто учитывают детали дизайна с минимальной площадью.

D – обозначение расстояния между пластинами.

Другое дело, когда конструкция построена на нескольких слоях диэлектрика. Затем они также включаются в формулу, обычно прибавляясь к знаменателю. В такой ситуации без объема тоже не обойтись.


Особенности приложения

Сферического

Сферический — это конденсатор, обкладки которого выполнены в виде двух сферических проводящих поверхностей. Диэлектрик заполняет пространство между вышеуказанными частями. В этом случае формула в знаменателе содержит дополнительные обозначения R — радиус каждой из пластин.


Суперконденсаторы

Цилиндрического

В этом случае пластины имеют вид двух коаксиальных или коаксиальных цилиндрических поверхностей с проводящим эффектом. При этом радиус каждого элемента разный. А вот пространство между разными частями заполнено диэлектриком. L — высота цилиндра. И в формулу добавляется символ диаметра. Измеряется отдельно для внутренней и внешней облицовки.


Цель

Как зависит емкость от среды диэлектрика

Влияние изолятора на емкость конденсатора зависит от проводящих свойств вещества внутри этой прокладки.
Изолирующая способность межпластинчатого проводника называется диэлектрической проницаемостью.
Учитывая характеристики диэлектрика, формула емкости для плоского устройства принимает вид:
С = є0є С/д,
где под буквой є значение диэлектрической проницаемости изолятора,
є0 – постоянная величина, равная диэлектрической проницаемости вакуума (воздуха).

На практике используется коэффициент, указывающий, во сколько раз применяемый диэлектрик уменьшает электрическое поле по сравнению с воздухом.

Паразитные параметры конденсаторов

Конденсаторы, помимо основных характеристик, имеют так называемые «паразитные параметры», искажающие рабочие свойства колебательного контура. Их необходимо учитывать при проектировании схемы.

К таким параметрам относятся самосопротивление и индуктивность, которые делятся на следующие составляющие:

  • Сопротивление электрической изоляции (r), которое определяется по формуле: r = U/Iut, где U – напряжение питания, Iut – ток утечки.
  • Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR, англ. ESR). Эта величина зависит от электрического сопротивления материала пластин, проводников, контактов между ними, потерь в диэлектрическом слое. ESR увеличивается с увеличением частоты тока, подаваемого на привод. В большинстве случаев эта функция не является существенной. Исключение составляют электролитические накопители, устанавливаемые в фильтрах импульсных источников питания.
  • Эквивалентная последовательная индуктивность — L. На низких частотах этот параметр из-за собственной индуктивности пластин и проводов не учитывается.

Паразитные параметры также включают Vloss, незначительную величину, выраженную в процентах, которая показывает, насколько сильно падает напряжение сразу после прекращения зарядки конденсатора.

Обозначение конденсаторов на схеме

На чертежах конденсатор с постоянной емкостью обозначен двумя параллельными черточками — пластинами. Они подписаны буквой «С». Рядом с буквой поставить порядковый номер элемента на схеме и значение емкости в пФ или микрофарадах.

В переменных конденсаторах параллельные линии перечеркнуты диагональной линией со стрелкой. Модели триммера обозначаются двумя параллельными линиями, перечеркнутыми диагональной линией с тире на конце. Положительно заряженная пластина указывается в обозначении полярных конденсаторов.

Обозначение по ГОСТ 2.728-74 Описание
Обозначение резистора на схеме Фиксированный конденсатор
Обозначение резистора на схеме Поляризованный конденсатор (полярный
Обозначение резистора на схеме Переменный триммер
Обозначение резистора на схеме Варикап

Особенности соединения нескольких конденсаторов в цепи

Соединение нескольких конденсаторов друг с другом может быть последовательным или параллельным.

Последовательное

Последовательное соединение позволяет подавать на пластины большее напряжение, чем на отдельную деталь. Напряжение распределяется в соответствии с мощностью каждого привода. Если емкости частей равны, то и напряжение распределяется поровну.

Результирующая емкость в такой цепи находится по формуле:

Собщ = 1/(1/С1+1/С2…+1/Сn)

Если провести расчеты, то становится понятно, что увеличение напряжения в цепи достигается за счет значительного падения емкости. Например, если в цепи последовательно соединить два конденсатора по 10 мкФ, то общая емкость будет всего 5 мкФ.

Параллельное

Это наиболее распространенный на практике способ увеличения общей емкости в цепи. Параллельное соединение позволяет создать большой конденсатор с общей площадью токопроводящих пластин. Общая емкость системы представляет собой сумму емкостей соединенных частей.

Всего С = С1+С2+…+Сn

Напряжение на всех элементах будет одинаковым.

Маркировка конденсаторов

В маркировке конденсатора, независимо от его типа, есть два обязательных параметра: емкость и номинальное напряжение. Наиболее распространена цифровая маркировка, указывающая величину сопротивления. Используйте три или четыре цифры.

Кратко суть трехзначной маркировки: первые две цифры слева обозначают значение емкости в пикофарадах. Самая правая цифра показывает, сколько нулей нужно добавить к цифрам слева. Результат в пикофарадах. Пример: 154 = 15×104 пФ. На конденсаторах иностранного производства пФ обозначается как ммф.

В четырехзначном коде емкость в пикофарадах указывает на первые три цифры, а четвертая указывает на количество добавляемых нулей. Например: 2353=235×103 пФ.

Буквенно-цифровой знак, содержащий букву R, указывающую на расположение десятичной точки, также может использоваться для обозначения емкости. Например, 0R8=0,8 пФ.

На корпусе значение напряжения обозначается цифрой, за которой следуют буквы: В, ВВ (что означает «рабочее напряжение»). Если нет указания допустимого напряжения, то конденсатор можно использовать только в низковольтных цепях.

Кроме емкости и напряжения на коробке могут быть указаны и другие характеристики детали:

  • Диэлектрический материал. Б – бумажный, С – слюдяной, К – керамический.
  • Степень защиты от внешних воздействий. Г — герметичное исполнение, О — штампованный корпус.
  • Дизайн. М – монолитный, Б – бочкообразный, Д – дисковый, С – секционный вариант.
  • Текущий режим. Y — импульсный, U — универсальный, H — только постоянный ток, P — переменный/постоянный.

Способы обозначения конденсатора

Единицей измерения емкости конденсатора является фарад, поэтому на корпусе элемента всегда присутствует буква F или F:

  • 1 миллифарад = 10-3 фарад = 1 мФ;
  • 1 микрофарад = 10-6 фарад = 1 мкФ;
  • 1 нанофарад = 10-9 фарад = 1 нФ;
  • 1 пикофарад = 10-12 фарад = 1 пФ.

Если элемент не имеет номинала, то целочисленное значение указывает на то, что емкость указана в пикофарадах.
В случае емкость указывается отклонением, если обозначена буква J, то диапазон отклонения менее 5%, буква М — 20%.

Код конденсаторов импортного производства

Импортные устройства, как и российские, маркируются по международным стандартам.
Этот нормативный документ подразумевает применение трехзначного кода. Первые две цифры обозначают емкость в пикофарадах.
Третья цифра указывает количество нулей, например, если емкость меньше 1 пикофарад, цифра будет видна как «0».

Кодовая для конденсаторов поверхностного монтажа

Маркировка электролитических конденсаторов SMD состоит из емкости и рабочего напряжения.
Например, 108 В, где емкость 10 пФ, а рабочее напряжение 8 вольт.
Знак плюс находится рядом с полосой.
Существует три основных метода кодирования:
двух- или трехзначный код (буквы или цифры), указывающий рабочее напряжение и номинальную емкость.
Индикаторы обозначаются буквой, а цифра – множителем;
четыре символа, обозначающие напряжение и номинальную емкость.
Первая буква – рабочее напряжение, следующие символы – емкость в пикофарадах, последняя цифра – количество нулей;

если площадь тела большая, код размещается на двух строках.
Верхняя строка – номинальная емкость, нижняя – рабочее напряжение.

Дата выпуска

Его принято обозначать четырьмя цифрами: первые две — последние цифры года выпуска, вторые две — месяца (9608 — август 1996).

Расположение маркировки на корпусе

Так как указание параметров очень важно для сборки схемы, эти индикаторы размещены на корпусе устройства в первой строке. Емкость всегда указывается в начале.

Цветовая маркировка отечественных радиоэлементов

Это кодировка, в которой используются 4 цветные полосы, где каждому цвету соответствует определенное число. Первые две полоски показывают емкость в пикофарадах, следующая — допуск, а последняя — номинальное напряжение.

Маркировка конденсаторов импортного производства

Для продукции из США и других импортных товаров кодировка емкости выглядит так: первые две цифры — значение в пикофарадах, третья — количество нулей.

Цветовая маркировка импортных конденсаторов

Он состоит из пяти полос. Начальная пара – емкостной показатель в пФ, следующая полоса – количество нулей, четвертая – показатель возможного отклонения, пятая – номинальное напряжение.

Данные о конденсаторах в цепях предназначены для информирования специалистов, работающих с ними, о типах используемых устройств и их основных характеристиках. Выбирая используемый элемент, нужно обращать внимание на марку.

Как измерить емкость

Существует несколько способов измерения емкости конденсатора с помощью приборов и различных методик.
В статье описано использование мультиметра, осциллографа, тестера и мостовых измерителей.

Мультиметром

Сначала, прежде чем приступить к измерению емкости конденсатора, его следует разрядить до полного исчезновения тока.

В качестве примера: сделайте это с помощью отвертки, замыкающей штифты.

Если пренебречь этим нюансом, мультиметр может сломаться.

Измерить емкость мультиметром можно следующим образом:
активировать режим «Сх» и установить предел измерения 2000 пФ, если он есть.
В стандартном приборе она составляет 20 мкФ;
Установите конденсатор в соответствующие гнезда на мультиметре или используйте щупы для подключения конденсатора.
Значение емкости будет отображаться на экране прибора.

Осциллографом

Для измерения помимо осциллографа потребуется собрать схему из проверяемых конденсатора, резистора и генератора синусоидальных колебаний.

Точки подключения осциллографа к схеме — до резистора и после конденсатора.

Частота колебаний генератора изменяется до получения на экране осциллографа синусоидальных кривых одинаковой амплитуды.
Это сделано для точности измерений.
Вы представляете, как рассчитать емкость конденсатора по амплитудным значениям напряжений?
Для этого нужно воспользоваться формулой UR/UC*2πfR, подставив в нее измеренные значения.
С его помощью вычисляют ток утечки конденсатора и косвенно, через уменьшение напряжения на заранее известном резисторе.
Осциллограф может рассчитать емкость конденсаторов от 20 пФ до 200 мкФ.

Тестером не имеющим прямой функции

Чтобы найти вариант, как определить емкость с помощью тестера без функции измерения емкости,
следует обратить внимание на формулу мгновенного значения тока при его заряде или разряде i = C dU/dt.

Дело тут в том, что помимо тестера и секундомера нужно собрать схему с блоком питания,

конденсатор и резистор с большим сопротивлением для увеличения продолжительности процесса заряда или разряда.
Сняв все показания с тестера и секундомера, можно достаточно приблизительно рассчитать и узнать емкость.
Зная, как определить емкость конденсатора современными приборами, не составит труда разобраться с прибором времен СССР.
На экране отображаются не цифры, а отклонение стрелки, за которым важно внимательно следить.
Измерение емкости проводят только на незаряженном конденсаторе.
Поднесите щупы к контактам конденсатора, если он исправен, то стрелка сначала отклонится, после чего примет исходное положение по мере заряда.
Скорость движения стрелки зависит от объема контейнера.
Если стрелка на тестере не сдвинулась, или это значение минимальное или сместилось и зависло в одном положении, это показатель неисправности конденсатора.

Мостовыми измерителями

Емкость конденсатора измеряется сравнением с эталонной емкостью.
Для чего делается мостовая схема, где одно плечо работает с образцовым электроприбором, другое с которым его испытывают.
Мостовые чтения могут быть реализованы на цифровых носителях.

Единицы расчета

Математическое выражение фарада

C=Q/V, где C — электрическая емкость, Q — зарегистрированная нагрузка, V — приложенное напряжение.

Диэлектрическая проницаемость

D = εF, где D — электрическая индукция в среде, ε — диэлектрическая проницаемость среды, F — сила взаимодействия между зарядами в вакууме.

Как проверить работоспособность конденсатора

Для проверки работоспособности конденсатора используйте мультиметр. Перед проверкой блока необходимо определить, какое устройство находится в цепи: полярное (электролитическое) или неполярное.

Проверка полярного конденсатора

При проверке полярного конденсатора необходимо соблюдать правильную полярность подключения щупов: плюс должен быть прижат к плюсовой ножке, минус к минусу. Если поменять полярность, конденсатор выйдет из строя.

После выпайки деталь помещается на свободное место. Мультиметр включен в режим измерения сопротивления («прозвонка»).

Щупы касаются клемм устройства с соблюдением полярности. Правильная ситуация, когда на экране появляется первое значение, которое начинает постепенно увеличиваться. Максимальное значение, которое должно быть достигнуто для работы устройства, равно 1. Если вы просто прикоснулись щупами к клеммам и на экране сразу появилась цифра 1, значит, устройство неисправно. Появление на экране «0» означает, что внутри детали произошло короткое замыкание.

Проверка неполярного конденсатора

В этом случае проверка предельно проста. Диапазон измерения установлен на 2 МОм. Щупы подключаются к выводам конденсатора в любом порядке. Результирующее значение должно быть больше двух. Если на дисплее отображается значение менее 2 МОм, деталь неисправна.

Выбор и эксплуатация

Главное, использовать устройства в режимах, не превышающих номинальные значения. Тогда никаких дефектов или проблем появиться не должно.

Примечание. Электрохимические процессы диэлектрика являются основной причиной старения основных элементов при воздействии на них постоянного напряжения. Причина — постоянный ноль, повышение влажности и температуры в окружающей среде. Тип диэлектрика, конструкция конструкции определяют, как поведет себя тот или иной прибор в данных условиях.

Процессы ионизации вызовут старение в случае переменного напряжения, импульсных режимов.

Экранированные керамические конденсаторы считаются самыми прочными и надежными моделями из всех. Либо стоит отдать предпочтение оксидно-полупроводниковым вариантам. Каждый из них гарантирует максимальный срок службы.

Со временем любой конденсатор теряет емкость. Это нормальный процесс на компьютере. Поэтому не рекомендуется размещать устройства рядом с другими предметами, подверженными сильному нагреву. Электролиты могут быть слабым местом любой электроники. Качество детали во многом зависит от выбранного вами производителя. Но такая проблема заслуживает отдельного разговора.

Оцените статью
Блог о практической электронике