Виды и параметры конденсаторов

Назначение и область применения

Электронное оборудование содержит большое количество узлов различного назначения, где применяются конденсаторы. В таймерах они подключаются через резисторы, определяя время разряда или заряда. В блоках питания и преобразователях напряжения сглаживают пульсацию, стабилизируя напряжение после выпрямителя. В некоторых случаях конденсаторы используются в качестве фильтров, обладая свойством проводимости переменного тока и запиранием постоянного.

Пример бытовой техники, где применяются конденсаторы

Они эффективно могут ускорить или замедлить процесс увеличения или падения напряжений в различных электронных схемах.

Конденсаторы с переменной емкостью

Типы переменных конденсаторов обладают определенным принципом работы, который заключается в накоплении заряда на пластинах-электродах, изолированных посредством диэлектрика. Пластины эти отличаются подвижностью. Они могут перемещаться.

Подвижная пластина называется ротором, а неподвижная — статором. При изменении их положения изменятся и площадь пересечения, и, как следствие, показатель емкости конденсатора.

Конденсаторы бывают с двумя типами диэлектриков: воздушным и твердым.

В первом случае в роли диэлектрика выступает обыкновенный воздух. Во втором случае применяют керамику, слюду и др. материалы. Для увеличения показателя емкости устройства статорные и роторные пластины собираются в блоки, закрепленные на единой оси.

Конденсаторы с воздушным типом диэлектрика применяются в системах с постоянной регулировкой емкости (например, в узлах настройки радиоприемников). Такой тип устройства обладает более высоким уровнем стойкости, чем керамический.

Основные параметры

Главные параметры конденсаторов, которые используются при проектировании и ремонте устройств радиоэлектроники, – это емкость и номинальное напряжение. Кроме этого, существует еще несколько дополнительных параметров, которые могут влиять на элементы схемы. Конденсаторы имеют следующие основные характеристики.

Ёмкость

Это самый основной параметр, который характеризует накопление электрического заряда. Расчет значения производится по различным формулам, в зависимости от конструкционных особенностей: плоский, цилиндрический или круглый конденсатор. На практике большая их часть выпускается как разновидности плоского. Емкость современных устройств варьируется от единиц пикофарад до десятков тысяч микрофарад и даже единиц фарад.

Удельная ёмкость

Этот относительный параметр привязывает габариты к величине емкости. Таким образом, чем выше удельная емкость, тем меньше габариты конструкции, однако при этом может упасть электрическая прочность (рабочее напряжение).

Плотность энергии

Данный параметр важен при использовании конденсаторов в качестве накопителей энергии, определяет величину энергии на единицу массы или объема элемента.

Номинальное напряжение

Значение напряжения, при котором сохраняются рабочие параметры в течение срока службы, называется номинальным. Рабочее напряжение должно быть меньше номинального.

Важно! Превышение номинального напряжения чревато выходом элемента из строя. Электролитический конденсатор при этом может разрушиться со взрывом

Вопреки распространенному мнению, элемент, включенный в цепь с напряжением, в несколько раз меньше номинального, сохраняет все остальные параметры.

Полярность

Такие виды конденсаторов, как электролитические, зачастую требуют включения в цепь с соблюдением полярности. Поскольку такие элементы используются, в основном, как накопители или фильтры, это не составляет затруднений. Несоблюдение полярности приводит к:

• несоответствию емкости;
• повреждению.

Маркировка обязательно содержит информацию о полярности подключения.

Опасность разрушения (взрыва)

Разрушение со взрывом характерно для электролитических конденсаторов. Причиной взрыва является нагрев, который возникает из-за:

• несоблюдения полярности;
• расположения рядом с источниками тепла;
• старения (увеличения утечки и повышения эквивалентного сопротивления).

Для уменьшения последствий разрушения на корпусе в торце ставят предохранительный клапан или формируют насечки на крышке. Такая конструкция гарантирует, что при резком увеличении давления внутри корпуса скопившиеся газы и электролит выделяются через клапан или разрушенную по насечкам крышку. Таким образом, предотвращается взрыв, при котором обкладки и электролит разбрасываются по большой площади и вызывают замыкание элементов плат. Охлаждение устройства снижает вероятность разрушения.

Последствия разрушения

Конструктивные исполнения конденсаторов

Конденсаторы, емкость которых не может изменяться, называются конденсаторами постоянной емкости.

Но в некоторых цепях для обеспечения возможности регулировки работы схемы и установки точных параметров ее работы применяются подстроечные конденсаторы. Емкость их изменяется при помощи отвертки.

Подстроечные конденсаторы

В отличие от них конденсаторы переменной емкости применяются для выполнения пользовательских регулировок, например, для настройки радиоприемника на нужную волну.

Конденсатор переменной емкости

Существуют конденсаторы специального назначения. Например, конденсаторы для защиты от радиопомех и сглаживающих фильтров, располагающихся парами в одном корпусе.

Два конденсатора в одном корпусе

Отдельно выделяются конденсаторы для поверхностного монтажа или SMD-конденсаторы. Они технологичны для монтажа на автоматических конвейерных линиях, а размеры позволяют минимизировать габаритные размеры устройств.

SMD-конденсаторы

Цветовая маркировка конденсаторов

На корпусе большинства конденсаторов написаны их номинальная емкость и рабочее напряжение. Однако встречается и цветовая маркировка. Некоторые конденсаторы маркируют надписью в две строки. На первой строке указаны их емкость (пФ или мкФ) и точность (К = 10%, М – 20%). На второй строке приведены допустимое постоянное напряжение и код материала диэлектрика.

Монолитные керамические конденсаторы маркируются кодом, состоящим из трех цифр. Третья цифра показывает, сколько нулей нужно подписать к первым двум, чтобы получить емкость в пикофарадах. Что означает код 103 на конденсаторе? Код 103 означает, что нужно приписать три нуля к числу 10, тогда получится емкость конденсатора – 10 000 пФ. Конденсатор маркирован 0,22/20 250. Это означает, что конденсатор имеет емкость 0,22 мкФ ± 20% и рассчитан на постоянное напряжение 250 В.

www.slojno.net

www.electric-tolk.ru

www.joyta.ru

www.electricalschool.info

www.jelektro.ru

Предыдущая
КонденсаторыНесколько фактов об электролитических конденсаторах
Следующая
КонденсаторыЧем отличаются параллельное и последовательное соединение конденсаторов

Характеристики конденсаторов

Основные характеристики конденсаторов наносятся на его корпусе, кроме того там указывается тип конденсатора, название фирмы изготовителя и дата выпуска.

• Номинальная емкость конденсатора- самый важный параметр. Согласно ГОСТ 2.702 номинальная емкость в пределах  от 0 до 9 999 пФ указывается на схемах без указания единицы измерения в пикофарадах , а в пределах от 10 000 пФ до 9 999 мкФ — в микрофарадах с указанием единицы измерения буквами мк, а на самом конденсаторе- мкФ или uF.
• После величины емкости указывается допускаемые отклонения от номинального значения.
• Второй важный параметр- это величина номинального напряжения (5, 12, 50, 110, 220, 380, 660, 1 000 Вольт и т. п.). Рекомендую брать для работы в схеме всегда конденсатор с запасом по напряжению. И не в коем случае не берите с меньшим номинальным напряжением, а то произойдет пробой диэлектрика и выход из строя конденсатора.
• Дополнительные характеристики не всегда наносятся. Это может быть рабочие температуры, рабочий ток переменный или постоянный и т. п.
• Другие параметры. Конденсаторы могут быть однофазные и трехфазные, для внутренней  или наружной установки.

Основные характеристики Вы всегда найдете на корпусе конденсаторов.  На картинке сверху круглый конденсатор на 16мкф и 450 Вольт (АС означает переменное напряжение), а справа на 400 В и 10 uF =10 микрофарад.

Классификация конденсаторов по виду диэлектрика

Воздух в качестве диэлектрика использовался только для конденсаторов переменной емкости старого образца. Чем меньше материал между обкладками конденсатора проводит электрический ток, тем меньших размеров может быть изготовлен этот элемент на то же рабочее напряжение. При использовании определенных материалов можно получить конденсаторы с необходимыми свойствами.

В зависимости от материала диэлектрика между обкладками выпускаются конденсаторы:

Вакуумные

Воздушные

С газообразным диэлектриком

Керамические

Кварцевые

Стеклянные

Слюдяные

Бумажные

Металлобумажные

Электролитические

Полупроводниковые

Металло-оксидные

Полистирольные

Фторопластовые

Полиэтилентерефталатные

Лакопленочные

Поликарбонатные

Из всего этого перечня самыми распространенными в электротехнике являются бумажные и металлобумажные конденсаторы, использующиеся для схем запуска однофазных двигателей и для компенсации реактивной мощности. Всем известны электролитические конденсаторы, используемые в выпрямителях для сглаживающих фильтров. Их главная особенность – невозможность работы на переменном токе.

Электролитические конденсаторы

При ошибках в полярности подключения электролитических конденсаторов они выходят из строя, иногда – со взрывом. То же произойдет при превышении номинального напряжения электролитического и металлобумажного конденсатора, так как они выпускаются в герметичных корпусах.

Металлобумажный оксидный конденсатор в герметичном корпусе

Цилиндрический конденсатор

Емкость цилиндрического конденсатора равняется:

C = 2 πεε 0 l ln R 2 R 1 , где l — высота цилиндров, R 1 и R 2 — радиусы обкладок. Данный вид конденсатора имеет две соосные поверхности проводящих цилиндрических поверхности, как показано на рисунке 3 .

Важной характеристикой конденсаторов считается пробивное напряжение — напряжение, при котором происходит электрический разряд через слой диэлектрика. U m a x находится от зависимости от толщины слоя и свойств диэлектрика, конфигурации конденсатора

U m a x находится от зависимости от толщины слоя и свойств диэлектрика, конфигурации конденсатора.

Классы нагревостойкости электроизоляционных материалов

Класс нагревостойкости диэлектриков указывается буквой латинского алфавита. Перечислим основные из них:

• Y – максимальная температура 90 град. Цельсия. К данной категории относятся различные волокнистые изделия из хлопка, натуральных тканей и целлюлоза. Они не пропитываются и не дополняются жидкими электроизоляторами.
• A – 105 град. Цельсия. Все материалы, перечисленные выше, и синтетический шелк, пропитываемые жидкими диэлектриками (погружаемые в них).
• E – 120 град. Цельсия. Синтетические изделия, включая волокна, пленки и компаунды.
• B – 130 град. Цельсия. Слюдинитовые диэлектрики, асбест и стекловолокно вкупе с органическим связующим и пропиткой.
• F – 155 град. Цельсия. Слюдинитовые материалы, в качестве связующего звена которых выступают синтетические компоненты.
• H – 180 град. Цельсия. Слюдинитовые диэлектрики с кремнийорганическими соединениями, выступающими в качестве связующего.
• C – более 180 град. Цельсия. Все перечисленные выше изделия, в которых не используется связующее или применяются неорганические адгезивы.

Выбор электроизоляционных материалов зависит не только от мощностей оборудования, но и от условий его эксплуатации. Например, для высоковольтных линий электропередач должны использоваться диэлектрики с повышенной морозостойкостью и защитой от воздействия ультрафиолетовых лучей.

Таким образом, информация выше может использоваться только в качестве ознакомительных целей, а окончательное решение должен принимать профессиональный, квалифицированный специалист.

Свойства

Емкость

. Это основное свойство конденсатора. Измеряется в Фарадах и вычисляется по следующей формуле (для плоского конденсатора):

где С, q, U — это соответственно емкость, заряд, напряжение между обкладками, S –площадь обкладок, d – расстояние между ними, — диэлектрическая проницаемость, — диэлектрическая постоянная, равная 8,854*10^-12 Ф/м..

Полярность конденсатора

Номинальное напряжение

Удельная емкость и другие

Величина емкости конденсатора зависит от

Площадь пластин

. Это понятно из формулы: емкость прямо пропорциональна заряду. Естественно, увеличив площадь обкладок, получаем большее количество заряда.

Расстояния между обкладками

. Чем они ближе расположены, тем больше напряженность получаемого электрического поля.

Типы конденсаторов

Основная классификация конденсаторов проводится по типу используемого в нем диэлектрика, что определяет главные электротехнические характеристики конденсаторов: величину максимального напряжения, сопротивление изоляции, величину потерь, стабильность ёмкости и т. п.

Основные разновидности по виду диэлектрика:

1. С жидким диэлектриком.
2. Вакуумные, у которых обкладки  находятся в вакууме без диэлектрика.
3. С газообразным диэлектриком.
4. Электролитические и оксид-полупроводниковые конденсаторы. В качестве диэлектрика выступает оксидный слой металлического анода, а с другой электрод (катод)- это электролит, но в оксид-полупроводниковых- это полупроводниковый слой , нанесённый на оксидный слой с другой стороны. Данный тип конденсаторов обладает самой огромной удельной ёмкостью по сравнению с другими.
5. Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком— пленочные, бумажные, метало-бумажные, а так же комбинированные — бумажно-плёночные и т. п.
6. Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком— керамические,  стеклянные, слюдяные, из неорганических плёнок,  а так же комбинированные- стекло-керамические, стекло-эмалевые,  стекло-плёночные и др.

Различаются конденсаторы и по возможности изменения своей ёмкости:

• Самые распространенные постоянные конденсаторы, обладающие постоянной емкостью на протяжении всего срока службы.
• Переменные конденсаторы  применяются в радиоприемниках и не только. Они при работе аппаратуры обладают возможностью изменения ёмкости с использованием механического метода (реостат), либо изменения электрического напряжения (варикапы, вариконды) или температуры (термоконденсаторы).
• Подстроечные конденсаторы используются для периодической или разовой подстройки или регулировки  ёмкостей  в  цепях схем, в которых необходимо незначительное изменение ёмкости для нормального функционирования устройств.

По назначению использования конденсаторы делятся на:

• Низковольтные общего назначения, самый распространенный вид широко используемый в различных схемах.
• Высоковольтные, используемые в цепях с высоким напряжением.
• Пусковые, применяемые для запуска электродвигателей.
• Импульсные, создающие импульс необходимый для работы фотовспышки, лазеров и т. п..
• Помехоподавляющие и т. п.

Процессы, происходящие в конденсаторе

При подключении прибора к переменному или постоянному току в нем будут происходить разные процессы. Постоянный ток не пойдет по цепи с конденсатором. Так как между его обкладками находится диэлектрик, цепь фактически разомкнута.

Переменный ток , за счет того что периодически меняет направление, может проходить через конденсатор. При этом происходит периодический разряд и заряд конденсатора. На протяжении первой четверти периода заряд идет до максимума, в нем запасается электроэнергия, в следующую четверть конденсатор разряжается и электрическая энергия возвращается обратно в сеть. В цепи переменного тока, конденсатор обладает кроме активного сопротивления, еще и реактивной составляющей

Кроме того, в конденсаторе, ток опережает напряжение на 90 градусов, это важно учитывать, при построении векторных диаграмм

Техническое исполнение конденсаторов

Классифицировать конденсаторы можно по нескольким группам. Так, в зависимости от возможности регулировать емкость их разделяют на постоянные, переменные и подстроечные. По своей форме они могут быть цилиндрическими, сферическими и плоскими. Можно делить их по назначению. Но самой распространенной классификацией является таковая по типу диэлектрика.

Бумажные конденсаторы

В качестве диэлектрика используется бумага, очень часто — промасленная. Как правило, такие конденсаторы отличает большой размер, но были варианты и в небольшом исполнении, без промасливания. Используются в качестве стабилизирующих и накопительных устройств, а из бытовой электроники постепенно вытесняются более современными пленочными моделями.

При отсутствии промасливания имеют существенный недостаток — реагируют на влажность воздуха даже при герметичной упаковке. Промокшая бумага увеличивает энергопотери.

Диэлектрик в виде органических пленок

Пленки могут быть выполнены из органических полимеров, таких как:

• полиэтилентерифталат;
• полиамид;
• поликарбонат;
• полисульфон;
• полипропилен;
• полистирол;
• фторопласт (политетрафторэтилен).

По сравнению с предыдущими, такие конденсаторы имеют более компактные размеры, не увеличивают диэлектрические потери при увеличении влажности, но многие из них подвергаются риску выхода из строя при перегреве, а те, что этого недостатка лишены, отличаются более высокой стоимостью.

Твердый неорганический диэлектрик

Это может быть слюда, стекло и керамика.

Преимуществом этих конденсаторов считается их стабильность и линейность зависимости емкости от температуры, приложенного напряжения, а у некоторых — даже от радиации. Но иногда сама такая зависимость становится проблемой, и чем она менее выражена, тем дороже изделие.

Оксидный диэлектрик

С ним выпускаются алюминиевые, твердотельные и танталовые конденсаторы. Они имеют полярность, поэтому выходят из строя при неправильном подключении и превышении номинала напряжения. Но при этом они обладают хорошей емкостью, компактны и стабильны в работе. При правильной эксплуатации могут работать около 50 тыс. часов.

Вакуум

Такие устройства представляют собой стеклянную или керамическую колбу с двумя электродами, откуда выкачан воздух. В них практически отсутствуют потери, но малая емкость и хрупкость ограничивают сферу их применения радиостанциями, где величина емкости не так важна, а вот устойчивость к нагреву имеет принципиальное значение.

Двойной электрический слой

Если посмотреть, для чего нужен конденсатор, то можно понять, что этот тип — не совсем он. Скорее, это дополнительный или резервный источник питания, в качестве чего они и используются. Одни категория таких устройств — ионисторы — содержат в себе активированный уголь и слой электролита, другие работают на ионах лития. Емкость этих приборов может составлять до сотен фарад. К их недостаткам можно отнести высокую стоимость и активное сопротивление с токами утечки.