Конденса́тор (от лат. condensare - «уплотнять», «сгущать», или от от лат. condensatio - «накопление») - 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 (называемыхобкладками ), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок (см. рис.). 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).
Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора), по окончаниипереходного 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.
В методе гидравлических аналогийконденсатор - это гибкая мембрана, вставленная в трубу. Анимация демонстрирует мембрану, которая растягивается и сокращается под действием потока воды, что аналогично заряду и разряду конденсатора под действием электрического тока.
С точки зрения метода комплексных амплитуд конденсатор обладает комплексным импедансом
,
Где j - мнимая единица, ω - циклическая частота (рад/с ) протекающего синусоидального тока, f - частота в Гц , C - ёмкость конденсатора (фарад ). Отсюда также следует, что реактивное сопротивление конденсатора равно: . Для постоянного тока частота равна нулю, следовательно, реактивное сопротивление конденсатора бесконечно (в идеальном случае).
Резонансная частота конденсатора равна
При f > f p конденсатор в цепи переменного тока ведёт себя как катушка индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах f < f p , на которых его сопротивление носит ёмкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 2-3 раза ниже резонансной.
Конденсатор может накапливать электрическую энергию. Энергия заряженного конденсатора:
где U - напряжение (разность потенциалов), до которого заряжен конденсатор, а q - электрический заряд.
Обозначение конденсаторов на схемах. В России условные графические обозначения конденсаторов на схемах должны соответствовать ГОСТ 2.728-74 ] либо международному стандарту IEEE 315-1975:
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». В настоящее время изготавливаются конденсаторы с номинальными ёмкостями из десятично логарифмических рядов значений Е3, Е6, Е12, Е24, то есть на одну декаду приходится 3, 6, 12, 24 значения, так, чтобы значения с соответствующим допуском (разбросом) перекрывали всю декаду.
Характеристики конденсаторов
Основные параметры Ёмкость 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 (q = CU ). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до тысяч микрофарад. Однако существуют конденсаторы (ионисторы) с ёмкостью до десятков фарад.
Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью S каждая, расположена на расстоянии d друг от друга, в системе СИ выражается формулой: , где - диэлектрическая проницаемость среды, заполняющая пространство между пластинами (в вакууме равна единице), - электрическая постоянная, численно равная8,854187817·10 −12 Ф/м. Эта формула справедлива, лишь когда d намного меньше линейных размеров пластин.
Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею.
Если у всех параллельно соединённых конденсаторов расстояние между обкладками и свойства диэлектрика одинаковы, то эти конденсаторы можно представить как один большой конденсатор, разделённый на фрагменты меньшей площади.
При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы, так как от источника питания они поступают только на внешние электроды, а на внутренних электродах они получаются только за счёт разделения зарядов, ранее нейтрализовавших друг друга. Общая ёмкость батареи последовательно соединённых конденсаторов равна
Или 
Эта ёмкость всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора, входящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения.
Если площадь обкладок всех конденсаторов, соединённых последовательно, одинакова, то эти конденсаторы можно представить в виде одного большого конденсатора, между обкладками которого находится стопка из пластин диэлектрика всех составляющих его конденсаторов.
Удельная ёмкость 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 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. Например, у конденсатора EPCOS B4345 с ёмкостью 12 000 мкФ, максимально допустимым напряжением 450 В и массой 1,9 кг плотность энергии при максимальном напряжении составляет 639 Дж/кг или 845 Дж/л. Особенно важен этот параметр при использовании конденсатора в качестве накопителя энергии, с последующим мгновенным её высвобождением, например, в пушке Гаусса.
Конденсатор (capacitor, cap) - это маленький «аккумулятор», который быстро заряжается при наличии напряжения вокруг него и быстро разряжается обратно, когда напряжения недостаточно для удержания заряда.
Основной характеристикой конденсатора является ёмкость. Она обозначается символом C , единица её измерения - Фарад. Чем больше ёмкость, тем больший заряд может удерживать конденсатор при заданном напряжении. Также чем больше ёмкость, тем меньше скорость зарядки и разрядки.
Типичные значения, применяемые в микроэлектронике: от десятков пикофарад (pF, пФ = 0.000000000001 Ф) до десятков микрофарад (μF, мкФ = 0.000001). Самые распростронённые типы конденсаторов: керамический и электролитический. Керамические меньше по размеру и обычно имеют ёмкость до 1 мкФ; им всё равно какой из контактов будет подключен к плюсу, а какой - к минусу. Электролитические конденсаторы имеют ёмкости от 100 пФ и они полярны: к плюсу должен быть подключен конкретный контакт. Ножка, соответствующая плюсу, делается длинее.
Конденсатор представляет собой две пластины, разделённые слоем диэлектрика. Пластины скапливают заряд: одна положительный, другая отрицательный; тем самым внутри создаётся напряжение . Изолирующий диэлектрик не даёт внутреннему напряжению превратиться во внутренний ток , который бы уравнял пластины.
Зарядка и разрядка
Рассмотрим такую схему:
Пока переключатель находится в положении 1, на конденсаторе создаётся напряжение - он заряжается. Заряд Q на пластине в определённый момент времени расчитывается по формуле:
C - ёмкость, e - экспонента (константа ≈ 2.71828), t - время с момента начала зарядки. Заряд на второй пластине по значению всегда точно такой же, но с противоположным знаком. Если резистор R убрать, останется лишь небольшое сопротивление проводов (оно и станет значением R ) и зарядка будет происходить очень быстро.
Изобразив функцию на графике, получим такую картину:
Как видно, заряд растёт не равномерно, а обратно-экспоненциально. Это связанно с тем, что по мере того, как заряд копится, он создаёт всё большее и большее обратное напряжение V c , которое «сопротивляется» V in .
Заканчивается всё тем, что V c становится равным по значению V in и ток перестаёт течь вовсе. В этот момент говорят, что конденсатор достиг точки насыщения (equilibrium). Заряд при этом достигает максимума.
Вспомнив Закон Ома , мы можем изобразить зависимость силы тока в нашей цепи при зарядке конденсатора.
Теперь, когда система находится в равновесии, поставим переключатель в положение 2.
На пластинах конденсатора заряды противоположных знаков, они создают напряжение - появляется ток через нагрузку (Load). Ток пойдёт в противоположном направлении, если сравнивать с направлением источника питания. Разрядка тоже будет происходить наоборот: сначала заряд будет теряться быстро, затем, с падением напряжения создаваемого им же, всё медленее и медленее. Если за Q 0 обозначить заряд, который был на конденсаторе изначально, то:
Эти величины на графике выглядят следующим образом:
Опять же, через некоторое время система придёт в состояние покоя: весь заряд потеряется, напряжение исчезнет, течение тока прекратится.
Если снова воспользоваться переключателем, всё начнётся по кругу. Таким образом конденсатор ничего не делает кроме как размыкает цепь когда напряжение постоянно; и «работает», когда напряжение резко меняется. Это его свойство и определяет когда и как он применяется на практике.
Применение на практике
Среди наиболее распространённых в микроэлектронике можно выделить такие шаблоны:
Резервный конденсатор (bypass cap) - для уменьшения ряби напряжения питания
Фильтрующий конденсатор (filter cap) - для разделения постоянной и изменяющейся составляющих напряжения, для выделения сигнала
Резервный конденсатор
Многие схемы расчитаны на получение постоянного, стабильного питания. Например 5 В. Их им поставляет источник питания. Но идеальных систем не существует и в случае резкого изменения потребления тока устройством, например когда включается компонент, источник питания не успевает «отреагировать» моментально и происходит кратковременный спад напряжения. Кроме того, в случаях когда провод от источника питания до схемы достаточно длинный, он начинает работать как антенна и тоже вносить нежелательный шум в уровень напряжения.
Обычно отклонение от идеального напряжения не превышает тысячной доли вольта и это являние абсолютно незначительно, если речь идёт о питании, например, светодиодов или электродвигателя. Но в логических цепях, где переключение логического нуля и логической единицы происходит на основе изменения малых напряжений, шумы питания могут быть ошибочно приняты за сигнал, что приведёт к неверному переключению, которое по принципу домино поставит систему в непредсказуемое состояние.
Для предотвращения таких сбоев, непосредственно перед схемой ставят резервный конденсатор
В моменты, когда напряжение полное, конденсатор заряжается до насыщения и становится запасом резервного заряда. Как только уровень напряжения на линии падает, резервный конденсатор выступает в роли быстрой батарейки, отдавая накопленный ранее заряд, чтобы заполнить пробел пока ситуация не нормализуется. Такая помощь основному источнику питания происходит огромное количество раз ежесекундно.
Если рассуждать с другой точки зрения: конденсатор выделяет из постоянного напряжения переменную составляющую и пропуская её через себя, уводит её с линии питания в землю. Именно поэтому резервный конденсатор также называют «bypass capacitor».
В итоге, сглаженное напряжение выглядит так:
Типичный конденсаторы, который используется для этих целей - керамические, номиналом 10 или 100 нФ. Большие электролитические слабо подходят на эту роль, т.к. они медленее и не смогут быстро отдавать свой заряд в этих условиях, где шум обладает высокой частотой.
В одном устройстве резервные конденсаторы могут присутствовать во множестве мест: перед каждой схемой, представляющей собой самостоятельную единицу. Так, например, на Arduino уже есть резервные конденсаторы, которые обеспечивают стабильную работу процессора, но перед питанием подключаемого к нему LCD экрана должен быть установлен свой собственный.
Фильтрующий конденсатор
Фильтрующий конденсатор используется для снятия сигнала с сенсора, который передаёт его в форме изменяющегося напряжения. Примерами таких сенсоров являеются микрофон или активная Wi-Fi антенна.
Рассмотрим схему подключения электретного микрофона. Электретный микрофон - самый распространённый и повсеместный: именно такой применяется в мобильных телефонах, в компьютерных аксессуарах, системах громкой связи.
Для своей работы микрофон требует питания. В состоянии тишины, его сопротивление велико и составляет десятки килоом. Когда на него воздействует звук, затвор встроенного внутри полевого транзистора открывается и микрофон теряет внутреннее сопротивление. Потеря и восстановление сопротивления происходит много раз ежесекундно и соответствует фазе звуковой волны.
На выходе нам интересно напряжение только в те моменты, когда звук есть. Если бы не было конденсатора C , на выход всегда бы дополнительно воздействовало постоянное напряжение питания. C блокирует эту постоянную составляющую и пропускает только отклонения, которые и соответствуют звуку.
Слышимый звук, который нам и интересен, находится низкочастотном диапазоне: 20 Гц - 20 кГц. Чтобы выделить из напряжения именно сигнал звука, а не высокочастотные шумы питания, в качестве C используется медленный электролитический конденсатор номиналом 10 мкФ. Если был бы использован быстрый конденсатор, например, на 10 нФ, на выход прошли бы сигналы, не связанные со звуком.
Обратите внимание, что выходной сигнал поставляется в виде отрицательного напряжения. То есть при соединении выхода с землёй, ток потечёт из земли к выходу. Пиковые значения напряжения в случае с микрофоном составляют десятки милливольт. Чтобы перевернуть напряжение обратно и увеличить его значение, выход V out обычно подключают к операционному уселителю.
Соединение конденсаторов
Если сравнивать с соединением резисторов , расчёт итогового номинала конденсаторов выглядит наоборот.
При параллельном соединении суммарная ёмкость суммируется:
При последовательном соединении, итоговая ёмкость расчитывается по формуле:
Если конденсатора всего два, то при последовательном соединении:
В частном случае двух одинаховых конденсаторов суммарная ёмкость последовательного соединения равна половине ёмкости каждого.
Предельные характеристики
В документации на каждый конденсатор указано максимальное допустимое напряжение. Его превышение может привести к пробою диэлектрика и взрыву конденсатора. Для электролитических конденсаторов обязательно должна быть соблюдена полярность. В противном случае либо вытечет электролит, либо опять же будет взрыв.
К атегория:
Производство радиоаппаратуры
Конденсаторы постоянной емкости
Конденсаторы постоянной емкости применяют в различных схемах для разделения переменной и постоянной составляющих тока и сглаживания пульсации напряжений выпрямителя. В сочетании с другими элементами схем конденсаторы образуют резонансные контуры, широко используемые в радиоаппаратуре.
Конденсаторы постоянной емкости классифицируют по величине номинальной емкости, классу точности, номинальному рабочему напряжению, назначению, материалу диэлектрика и по конструктивным признакам.
Номинальные величины емкостей конденсаторов установлены ГОСТ 2519 - 60.
При изготовлении конденсаторов действительное значение емкости отличается от номинального, обозначенного в маркировке. Допустимое отклонение емкости от номинального называется допуском. По этому принципу все конденсаторы разделяют на пять классов: 0, 1, II, III , IV, допуски их соответственно составляют ±2%; ±5%; ±10%; ±20% и от - 20 до + 50%.
В зависимости от назначения различают контурные, разделительные, блокировочные и фильтровые конденсаторы.
По материалу диэлектрика конденсаторы делят на слюдяные, керамические, бумажные, металлобумажные, бумаго-масляные, пленочные, стеклоэмалевые, стеклокерамические, электролитические, воздушные, вакуумные, газонаполненные.
По конструктивному признаку конденсаторы подразделяют на трубчатые, дисковые, бочоночные, горшковые, опрессованные и герметизированные, плоские и цилиндрические и т. д.
Независимо от вида конденсатор характеризуется рабочим напряжением. Рабочим напряжением называется напряжение, под которым обкладки конденсатора могут длительно находиться без пробоя разделяющего их диэлектрика. Рабочее напряжение выражают в вольтах.
Большое значение для нормальной работы конденсатора имеет сопротивление его изоляции. При малом сопротивлении изоляции возникают утечки, нарушающие нормальную работу схемы. Потери в конденсаторе характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь, выражающим отношение мощности активных потерь к реактивной мощности конденсатора.
В маломощных конденсаторах потери энергии в основном вызываются проводимостью диэлектрика и диэлектрическим гистерезисом, т. е. потерями на поворот полярных молекул в направлении поля при приложении напряжения к обкладкам. Потери в обкладках и выводах малы, поэтому ими обычно пренебрегают.
Одной из важнейших характеристик конденсатора является стабильность - неизменность величины емкости конденсатора во время работы. Изменение емкости может быть как временным, так и необратимым. Основным фактором, влияющим на стабильность емкости конденсатора, является воздействие температуры окружающей среды и нагрев конденсатора за счет рассеиваемой на нем мощности. При повышении температуры увеличиваются геометрические размеры материала, что и влечет за собой временное (до возвращения температуры к первоначальному значению) изменение емкости.
Однако повышение температуры может привести и к необратимым изменениям емкости. Например, в конденсаторе может произойти перегруппировка воздушных зазоров между обкладками и диэлектриком. Необратимое изменение емкости происходит также вследствие старения диэлектрика, которое заключается в изменении его диэлектрической проницаемости.
Меры борьбы против изменения емкости конденсаторов - пропитка их специальными составами (касторовое масло, церезин, вазелин и т. д.) и серебрение пластинок слюды вместо применения металлической фольги. В особо ответственных случаях конденсаторы герметизируют.
При маркировке конденсаторов указывают тип, номинальное рабочее напряжение, номинальную емкость (в пикофарадах или микрофарадах), класс точности (допустимое отклонение от номинальной емкости в процентах).
Слюдяные и стеклоэмалевые конденсаторы имеют дополнительные указания на принадлежность к группе ТКЕ (температурный коэффициент емкости) в виде букв А, Б, В, Г для слюдяных и Р, О, М, П для стеклоэмалевых. Температурный коэффициент емкости керамических конденсаторов обозначают цветным кодом: корпуса конденсаторов окрашивают в цвета группы ТКЕ .
Рис. 1. Слюдяные конденсаторы: а -КСО; б – КСГ
Конденсаторы КСО могут работать в температурном интервале от 60 до 4 70° С, при относительной влажности воздуха до 80% (кратковременно - до 98%) и при атмосферном давлении не ниже 5 мм рт. cm (для конденсаторов на рабочее напряжение до 500 в). При монтаже конденсаторов КСО в контурах различных видов аппаратуры следует помнить, что они имеют разный ТКЕ .
Кроме того, выпускаются температуростойкие опрессованные слюдяные конденсаторы КСОТ , а также конденсаторы повышенной надежности К31У-ЗЕ.
Помимо опрессованных конденсаторов, выпускаются слюдяные герметизированные конденсаторы в металлических и керамических корпусах.
Конденсаторы КСГ (конденсаторы слюдяные герметизированные) в металлических корпусах (рис. 39, б) бывают двух видов: КСГ -1 и КСГ -2. Конденсаторы КСГ -1 используются на номинальные емкости 470 - 20000 пф, а КСГ -2 - от 0,02 до 0,1 мкф при рабочем напряжении 500 и 1000 в. Эти конденсаторы выпускаются 0, I, II и III классов точности.
Конденсаторы СГМ (слюдяные герметизированные малогабаритные) во влагонепроницаемых керамических корпусах, опаянных по торцам, имеют серебряные, нанесенные на слюду обкладки. Их выпускают по габаритным размерам четырех видов: СГМ -1, СГМ -2, СГМ -3 и СГМ -4. Вес конденсаторов СГМ от 3 до 10 г, номинальные значения емкости от 100 до 10 ООО пф с допусками по 0 I, II и III классам точности. Они рассчитаны на рабочее напряжение от 250 до 1500 в. Во влажной атмосфере эти конденсаторы работают более устойчиво, чем конденсаторы КСО .
Для изготовления слюдяных конденсаторов применяют слюду высшего сорта - мусковит. Обкладки конденсаторов изготовляют из тонкой металлической фольги (алюминиевой, свинцово-оловянной или медной) толщиной 7 - 100 мкм.
В качестве обкладок высокостабильных конденсаторов применяют серебро, которое вжигают или наносят методом распыления.
Керамические конденсаторы. Керамические конденсаторы разделяют по конструкции на трубчатые и дисковые. Более распространенными являются трубчатые конденсаторы КТК и КТ (конденсаторы трубчатые керамические). Конденсатор КТК (рис. 40, а) представляет собой тонкостенную керамическую трубочку, на внешнюю и внутреннюю поверхности которой нанесены обкладки из тонких слоев серебра. Выводы от обкладок выполнены из медной посеребренной проволоки.
Конденсаторы КТМ (конденсаторы трубчатые малогабаритные) имеют аналогичную с конденсаторами КТК конструкцию, но размеры их меньше.
Очень удобны при монтаже так называемые опорные керамические конденсаторы КО. В них внешняя обкладка соединена с болтом, который служит одновременно для укрепления конденсатора на металлическом шасси (панели) и для надежного заземления этой обкладки. Внутренняя обкладка имеет вывод в виде лепестка.
В радиоаппаратуре, предназначенной для работы при повышенной влажности, рекомендуется применять трубчатые конденсаторы КГК (конденсаторы герметизированные керамические), имеющие влагонепроницаемую керамическую оболочку.
Основой конденсаторов КДК и КД (конденсаторы дисковые керамические) сужит керамическая пластина, выполненная в виде диска. Обкладками его являются тонкие слои серебра, нанесенные на каждую из поверхностей этой пластины. Конденсаторы КДК (рис. 2, в) в зависимости от диаметра диска разделяют на три типа:
Рис. 2. Керамические конденсаторы: а -КТК; б-КГК : в-КДК
Конденсаторы КДМ (конденсаторы дисковые малогабаритные), предназначенные для малогабаритной аппаратуры, собранной на полупроводниковых приборах, имеют диаметр 4 мм. Выводы КДК и КДМ - проволочки, припаянные к обкладкам.
Конденсаторы КДУ (конденсаторы дисковые для ультракоротковолновых цепей) имеют такой же диаметр, что и КДК , но выводы их сделаны в виде коротких широких лепестков.
В конденсаторах КДО (конденсаторы дисковые опорные) одна из обкладок припаяна к головке болта, который служит для крепления конденсатора на шасси и надежного соединения этой обкладки с шасси. Вторая обкладка имеет вывод в виде лепестка.
Рис. 3. Секция бумажного конденсатора: 1 - конденсаторная бумага: 2 - фольга
В качестве диэлектрика в керамических конденсаторах применяют специальную конденсаторную керамику, характеризующуюся относительно высокой диэлектрической проницаемостью и малыми потерями. Конденсаторы КТК выпускают емкостью от 2 до 100 пф, а конденсаторы КДК -от 1 до 75 пф по 0, I, II и III классам точности. Конденсаторы КДМ изготовляют на номинальные емкости от 1 до 220 пф по I, II и III классам точности, а конденсаторы КТМ емкостью от 1 до 10 000 пф также по I, II и III классам точности.
В последнее время широкое применение в радиоаппаратуре на полупроводниковых приборах нашли керамические конденсаторы с большими значениями емкости (порядка 0,01 мкф) при малых габаритах КЛС (керамический литой секционированный), КП (керамический пластинчатый) и КПС (керамический пластинчатый сегнетоэлектрический).
Бумажные конденсаторы. В бумажных конденсаторах в качестве диэлектрика используют конденсаторную бумагу толщиной от 4 до 10 мкм, а в качестве обкладок - алюминиевую или свин-цово-оловянную фольгу толщиной 7-7,5 мкм.
Секция бумажного конденсатора состоит из лент металлической фольги 2, между которыми проложена конденсаторная бумага /; число слоев бумаги должно быть не менее двух. При одном слое бумаги сильно возрастет вероятность быстрого пробоя конденсатора, так как бумага содержит определенное количество электропроводящих включений.
В производстве радиоаппаратуры применяют главным образом конденсаторы КБГ
(конденсаторы бумажные герметизированные). Этот тип конденсаторов имеет ряд разновидностей:
— КБГ
-И - в цилиндрическом корпусе из керамики или стекла;
— КБГ
-М1 и КБГ
-М2 - в металлическом корпусе с одним или мя изолированными от корпуса выводами (рис. 42, б); КБГ
-МП - в металлическом прямоугольном корпусе, плоский;
— КБГ
-МН-в металлическом прямоугольном корпусе, нормальный.
Номинальные величины емкостей конденсаторов КБГ -И, КБГ -МН, КБГ -МП от 470 пф ДО 10 мкф при рабочих напряжениях 200, 400, 600, 1000 и 1500 в, а конденсаторов КБГ -М1 и КБГ -М2 от 0,1 до 0,25 мкф при рабочих напряжениях 200, 400 или 600 в.
Для малогабаритной аппаратуры на полупроводниковых приборах выпускаются специальные конденсаторы БМ, БГМ (бумажные герметизированные малогабаритные - рис. 42, д) и БГМТ (бумажные герметизированные малогабаритные термостойкие).
Номинальные емкости конденсаторов БМ: от 510 до 2200 пф при рабочем напряжении 300 в; от 3300 пф до 0,03 мкф при рабочем напряжении 200 в; 0,04 и 0,05 мкф при рабочем напряжении 150 в. Эти конденсаторы изготовляются по II и III классам точности.
Конденсаторы БГМ (БГМ -1 и БГМ -2) выпускаются с рабочим напрямышленностью, следует отметить малогабаритные опреесованные конденсаторы К40П-1, герметизированные К40П-2, негерметизи-рованные К40П-3, а также термостойкие К40У-9 (до + 125 °С).
Рис. 4. Бумажные конденсаторы: а - КБГ -И; б - КБГ -М; в -КБГ-МП; г - КБГ -МН; 3 -БГМ; е - БМ
Технология изготовления бумажных конденсаторов включает намотку секций, прессование, сушку, пропитку и сборку.
Металлобумажные конденсаторы. Металлобумажные конденсаторы получили широкое распространение, так как они имеют относительно малые габариты (малый объем и вес на единицу емкости) и в то же время обладают хорошими изоляционными свойствами. Обкладки металлобумажного конденсатора выполнены в виде слоя металла толщиной до сотых долей микрона. Металл наносят на бумажную ленту методом испарения под вакуумом.
Металлобумажные конденсаторы выпускают в металлических герметизированных корпусах прямоугольной или цилиндрической формы. Они имеют маркировку МБГП (металлобумажные герметизированные в корпусе прямоугольной формы), МБГЦ (металлобумажные герметизированные в корпусе цилиндрической формы), МБ ГО (металлобумажные герметизированные, один слой диэлектрика), МБГЧ (металлобумажные герметизированные частотные), МБ Г (металлобумажные герметизированные термостойкие).
В зависимости от назначения эти конденсаторы изготовляют емкостью от 0,025 до 30 мкф на рабочие напряжения от 160 до 1500 в. .Конденсаторы МБМ (металлобумажные малогабаритные) на рабочее напряжение 160 в предназначены для работы в аппаратуре на полупроводниковых приборах. Некоторые типы металло-бумажных конденсаторов показаны на рис. 5.
В качестве металлического покрытия металлобумажных конденсаторов обычно применяют цинк, алюминий и никель. Так как нанесенный на бумагу слой металла очень тонок и склонен к окислению, срок пребывания металлизированной бумаги на открытом воздухе ограничен. Покрытия из алюминия и никеля по сравнению с цинковым менее подвержены коррозии.
Металлобумажные конденсаторы самовосстанавливаются после электрического пробоя. Самовосстановление происходит вследствие того, что запасенный в конденсаторе или поступающий к нему извне электрической энергии оказывается достаточно для испарения слоя металла в месте пробоя и обособления тем самым поврежденного участка от остального металлического покрытия. Наилучшими свойствами самовосстановления обладают конденсаторы с цинковым покрытием.
Эффект самовосстановления позволяет изготовлять металлобумажные конденсаторы с одним слоем диэлектрика в отличие от конденсаторов с обкладками из фольги.
Металлобумажные конденсаторы, как и обычные бумажные, подвергают пропитке, которой предшествует тщательная вакуумная сушка.
Пленочные конденсаторы. В качестве диэлектрика в конденсаторах этой группы применяют органические высокомолекулярные пленки. Некоторые типы пленочных конденсаторов показаны на 6. При их производстве наибольшее применение получили пленки из полистирола и фторопласта. Полистирол относится к чис-неполярных диэлектриков и поэтому широко применяется для производства конденсаторов, работающих как в низкочастотных, так и в высокочастотных цепях.
Рис. 5. Металлобумажные конденсаторы: а - МБГП ; б - МБГЦ ; в -МБГО; г -МБГТ
Полистирольные конденсаторы характеризуются малым тангенсом угла диэлектрических потерь в широком интервале частот, относительно малым температурным коэффициентом емкости (-150-Ю-6 на ГС) и высоким сопротивлением изоляции. Существенным недостатком полистирольных конденсаторов. является их низкая термостойкость (предельная рабочая температура 60-70° С).
Высокой термостойкостью обладают конденсаторы, где диэлектриком служит фторопласт-4. Эти конденсаторы могут длительно работать при температурах до 200 и даже 250° С при кратковременной нагрузке. Фторопласт-4 неполярен. К числу полярных органических диэлектриков относится фторопласт-3. Конденсаторы, в которых диэлектриком служит фторопласт-3, применяют только в Цепях низкой частоты или постоянного тока ввиду повышенного значения тангенса угла диэлектрических потерь.
Секции пленочных полистирольных конденсаторов изготовляют на обычных намоточных станках, применяемых при производстве бумажных конденсаторов. В качестве обкладок в пленочных поли-стирольных конденсаторах используют алюминиевую фольгу. Толщина пленки 15-20 мкм\ толщина фольги 7,5 мкм.
Для уменьшения габаритов конденсаторов используют металлизированную полистирольную пленку, при этом надежность конденсатора сохраняется, а габаритные размеры уменьшаются в 5-6 раз по сравнению с конденсаторами, имеющими алюминиевые фольговые обкладки.
Рис. 6. Пленочные конденсаторы: О-ПГТ ; б-ПМ; e-ПСО ; г-ФГТИ
В качестве основного металла для обкладок применяют цинк, который осаждают на тонкий слой олова. Эти конденсаторы называют металлопленочными. Металлопленочные конденсаторы заключены в прямоугольные металлические корпуса с керамическими изоляторами или в трубчатые алюминиевые корпуса, залитые с торцов эпоксидной смолой.
Для изготовления конденсаторов из фторопласта-4 применяют пленку толщиной от 5 до 40 мкм. Обкладками в них служит алюминиевая фольга толщиной 7,5 мкм. Фторопластовые конденсаторы делят на две группы: низковольтные, цилиндрический корпус которых выполнен из алюминия и имеет с торцовых сторон крышки из фторопласта-4, закрепленные завальцовкой краев корпуса, и высоковольтные - в керамических цилиндрических корпусах, с двух сторон корпуса которых приварены колпачки из инвара, что обеспечивает вакуумплочную герметизацию. Корпус высоковольтного
сонденсатора наполнен под давлением азотом, чтобы предотвратить возможный электрический пробой между закраинами обкладок и ионизацию газа.
Промышленностью выпускаются пленочные полистирольные конденсаторы ПО (открытый) и ПМ (малогабаритный) и фторопласто-вые для радиоаппаратуры низких напряжений (не более 1 кв) конденсаторы ФТ (термостойки до +200 °С). Из новых типов пленочных конденсаторов можно отметить конденсаторы К72П-6 (термостойкий, до+200 °С), К73П-2 (металлопленочный) и К76П-1 (лакопленоч-ный).
Электролитические конденсаторы. Электролитические конденсаторы разделяют на высоковольтные с рабочим напряжением 250- 450 в (емкость несколько сотен микрофарад), применяемые главным образом в сглаживающих фильтрах выпрямителей и развязывающих фильтрах, в анодных цепях экранных сеток, и низковольтные с рабочим напряжением 6-60 в (емкость до нескольких тысяч микрофарад), применяемые в полупроводниковой технике.
К. первой группе можно отнести конденсаторы КЭ (конденсаторы электролитические), изготовляемые на номинальные емкости от 5 до 2000 мкф и рабочее напряжение от 8 до 500 в. По конструкции они бывают трех видов: КЭ-1, КЭ-2 и КЭ-3.
К этой группе относят также конденсаторы ЭГЦ (конденсаторы электролитические герметизированные цилиндрические) емкостью от 5 до 50 мкф на рабочие напряжения от 6 до 500 в.
Ко второй группе можно отнести конденсаторы ЭМ (электролитические малогабаритные) и ЭМИ (электролитические миниатюрные). Они предназначены для работы в цепях постоянного и пульсирующего тока транзисторных малогабаритных узлов. Номинальное напряжение постоянного тока 3 в конденсаторов ЭМИ и от 4 до 150 в конденсаторов ЭМ, номинальная емкость 0,5; 1,25 и 10 мкф для ЭМИ и от 0,5 до 50 мкф для ЭМ. Допустимые отклонения действительной величины емкости от номинальной: от +80 до -20% для конденсаторов емкостью 0,5 мкф-, от + 200 до -10% для конденсаторов емкостью 1,25 и 10 мкф. Интервал рабочих температур от -20 до +50° С при относительной влажности воздуха не более 98% и атмосферном давлении 720-780 мм рт. ст.
Среди новых видов малогабаритных алюминиевых электролитических конденсаторов промышленностью выпускаются конденсаторы К50-3 на рабочие напряжения от 6 до 450 в, К50-ЗИ (импульсные), К50-6 (неполярные) и др.
На рис. 7 показаны типы некоторых электролитических конденсаторов, диэлектриком в которых служит оксидная пленка, обра зованная на алюминиевой фольге, выполняющей роль первой об кладки (анод) конденсатора, вторая обкладка - электролит, соприкасающийся с оксидной пленкой. Вторая лента из фольги (катодная) служит токоотводом к элек тролиту.
Оксидная пленка имеет тол щину 0,01-1,5 мкм и обладает униполярной (односторонней проводимостью, поэтому электролитические конденсаторы могут работать только в цепях постоянного или пульсирующего тока.
По конструкции и методу изготовления электролитические конденсаторы бывают жидкост ные (мокрые), оксидированный алюминиевый анод которых на ходится в жидком или полу жидком электролите, и сухие, получаемые намоткой лент алюминиевой фольги (оксидированной анодной и неоксидирован-ной катодной) и разделенные волокнистой прокладкой, пропитанной пастообразным или полужидким электролитом.
Наиболее широкое применение получили сухие электролитические конденсаторы. Для анодов этих конденсаторов применяют материал с содержанием от 99,8 до 99,99% алюминия и минимальным количеством железа.
Алюминиевая анодная фольга, применяемая в электролитических конденсаторах, имеет толщину 50-150 мкм.
Менее жесткие требования предъявляют к алюминию, используемому для изготовления катодов; в нем допускается до 0,4% примесей. Толщина катодной фольги 7,5-16 мкм.
В сухих электролитических конденсаторах для прокладки между алюминиевыми лентами применяют специальные сорта бумаги и хлопчатобумажной ткани, пропитанные электролитами.
В последнее время промышленность широко выпускает электролитические конденсаторы с диэлектриком из оксидной танталовой пленки, которая по сравнению с алюминиевой имеет более высоко-, значение диэлектрической проницаемости.
Рис. 7. Электролитические конденсаторы: а - КЭ 3; б -КЭ-1-ОМ; в -КЭ-2М; г - КЭГ -2; д - КЭГ -1М
Танталовые конденсаторы значительно меньше по габаритам, более надежны и имеют лучшие электрические характеристики, чем конденсаторы на основе алюминиевой оксидной пленки. Емкость п тангенс угла диэлектрических потерь сухого танталового конденсатора незначительно изменяются с изменением температуры вплоть до -60° С.
Жидкостные танталовые конденсаторы имеют цилиндрический анод, изготовленный из прессованного порошка тантала, термически обработанного в вакууме. Термическая обработка необходима для спекания зерен танталового порошка. Получаемая при этом пористая структура анода характеризуется большой активной поверхностью, способствующей увеличению емкости конденсатора. Этот способ увеличивает действующую поверхность анода в 40-50 раз по сравнению с герметической поверхностью цилиндра.
Диэлектриком в конденсаторе является тонкая пленка окиси тантала на поверхности зерен, а роль второй обкладки выполняет кислотный электролит.
На рис. 8 показано устройство жидкостного электролитического танталового конденсатора ЭТО .
Конденсатор ЭТО (электролитический танталовый с объемнопори-стым анодом) имеет несколько разновидностей: ЭТО -1, ЭТО -2 и ЭТО -3,4. Модификацией этого типа являются конденсаторы К52-2 и К52-3.
Из сухих танталовых конденсаторов выпускаются конденсаторы ЭТ (электролитический танталовый) и ЭТН (неполярный).
Дальнейшим конструктивным развитием конденсаторов этой группы являются танталовые конденсаторы с твердым электролитом. Анод такого конденсатора изготовлен в виде цилиндра из пористого спеченного тантала. Слой диэлектрика (окись тантала) на поверхности спрессованных частиц получают электролитическим путем. Роль второй обкладки в этом конденсаторе выполняет слой Двуокиси марганца, наносимый методом пиролиза (разложения) азотнокислого марганца.
Рис. 8. Устройство жидкостного электролитического танталового конденсатора ЭТО с объемно-пористым анодом: I - вывод; 2 - текстолитовое кольцо; 3 - тапталовая крышка; 4 - резиновое кольцо: 5 - электролит; 6 - анод; 7 -вкладыш из химически стойкого металла; 8 - стальной корпус; 9 - вывод катода; 10 - тан таловый стержень; 11 -фторопластовое кольцо
Температурная характеристика емкости конденсатора с твердьщ электролитом выгодно отличается от характеристики жидкостных электролитических танталовых конденсаторов, особенно при отрицательных температурах, когда жидкие электролиты густеют или затвердевают. Потери в конденсаторе с твердым электролитом мало зависят от температуры и сохраняются на одном уровне до весьма низких температур. Кроме того, при работе на высокой частоте характеристики конденсаторов оказываются также более благоприятными, чем у танталовых конденсаторов жидкостного типа. Длительное хранение конденсаторов с пористым танталовым анодом и твердым электролитом показало, что электрические характеристики их практически не меняются во времени.
Стеклоэмалевые конденсаторы (рис. 9). В конденсаторах этой группы диэлектриком являются тонкие слои стеклоэма-ли, а обкладками - серебряные пленки, наносимые на стекло-эмалевые слои методом вжигания. Примерный состав эмали: 15- 25% Si02; 3-11% Na20 + К20; 15-25% РЬО , остальное – окиси других двухвалентных металлов.
Стеклоэмалевые конденсаторы КС-1 и КС-2 имеют интервал рабочих температур от -60 до +100° С; сопротивление изоляции не менее 20 ООО Мом; тангенс угла потерь при температуре +20±5° С не более 15-1Q-4, а при + 100±5°С не более 20- Ю-4, температурный коэффициент емкости в интервале температур от +20 до 100° С равен +(65±35)-10-6; допускаемые отклонения ±2, ±5, ±10, ±20%.
Стеклоэмалевые конденсаторы применяют в радиоаппаратуре наравне со слюдяными и керамическими.
Особенности крепления к корпусу выводов конденсаторов КС создают некоторые неудобства при формовке выводов, что часто вызывает брак (отслоение пайки). Поэтому с конденсаторами КС необходимо осторожно обращаться на всех операциях, включая и регулировку.
Стеклоэмалевые конденсаторы постоянной емкости КС-1 предназначены для работы в цепях постоянного и переменного тока, а также в импульсных цепях. Интервал рабочих температур от -60 до +100 °С; относительная влажность до’98%, номинальное напряжение постоянного тока 300 в. Температурная стабильность емкости не более 0,1%. Допустимые отклонения действительных величин емкостей от номинальных: ±2% и ±5%.
Рис. 9. Стеклоэмалевый конденсатор
Подстроенные конденсаторы. Подстроечные конденсаторы (триммеры) применяют для подстройки высокочастотных колебательных контуров в процессе регулировки. Их изготовляют с воздушным или керамическим диэлектриком и для повышения стабильности емкости применяют керамические основания.
Рис. 10. Подстроечные конденсаторы: а - с воздушным диэлектриком; б - с керамическим диэлектриком; 1 - статор; 2 -ротор; 3 - выводы; 4 - отверстия для крепления
Керамические подстроечные конденсаторы КПК рассчитаны на рабочее напряжение 250 в и служат в основном для подстройки контуров высокой частоты в приемниках.
Конденсаторы КПК -1 имеют минимальные величины емкости 2, 4, 6 и 8 пф и максимальные соответственно 7, 15, 25 и 30 пф.
Конденсаторы КПК -2 и КПК -3 имеют минимальные емкости 6, 10 и 25 пф и максимальные 60, 100 и 150 пф.
Для малогабаритной аппаратуры выпускаются подстроечные конденсаторы КПК -МН (малогабаритные для навесного монтажа) и КПК -МП (малогабаритные для печатного монтажа).
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.
Конденсаторы постоянной емкости
http://сайт/wp-content/plugins/svensoft-social-share-buttons/images/placeholder.png
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. […]