Что такое конденсатор? §52. Конденсаторы, их назначение и устройство Конденсатор для чего он нужен

Практически во всех электронных устройствах, от самых простых до высокотехнологичных, таких как материнские платы компьютеров, можно встретить один неизменно присутствующий элемент, являющийся пассивным компонентом. Но к сожалению, мало кто знает как устроен и для чего нужен конденсатор, и какие виды этого накопителя бывают.

Просто о сложном

Итак, это небольшое устройство для накопления электрического поля или заряда похоже на обычную банку, ту, в которой маринуют помидоры или хранят муку. Она точно так же в себе накапливает сухое вещество или жидкость, которую в неё поместят. Аналогия проста: по цепи бегут электроны, а на своей дороге встречают проводников, которые ведут их в «банку», где они и накапливаются, усиливая заряд.

Для того чтобы выяснить, много ли элекрончиков так можно собрать, и в какой момент накопление прекратится (банка лопнет), электрический процесс обычно сравнивают с водопроводом. Если представить трубу, в которой течёт вода, закачиваемая туда насосом, то где-то в центре трубопровода нужно вообразить мягкую мембрану, растягивающуюся под давлением жидкости. Очевидно, что она будет растягиваться до определённого предела, пока не разорвётся или, если попалась очень крепкая, не уравновесит силу насоса.

Такой пример показывает, как работает конденсатор, только мембрана заменяется электрическим полем, которое увеличивается по мере зарядки накопителя (работы насоса), уравновешивая напряжение источника питания. Очевидно, что этот процесс не бесконечный, и предельный заряд существует, по достижении которого «банка» выйдет из строя и перестанет выполнять свои функции.

Устройство и принцип работы

Конденсатор - устройство, состоящее из двух пластин (обкладок), имеющих между собой пустоту. Напряжение к нему подаётся через проводки, подсоединённые к пластинкам. Современные приборы, по сути, не сильно отличаются от макетов на уроках физики, они также состоят из диэлектрика и обкладок. Следует отметить, что именно вещество или его отсутствие (вакуум), плохо проводящее электричество, изменяет характеристики накопителя.

Суть принципа работы конденсатора проста: дали напряжение, и заряд начал накапливаться. Для примера следует рассмотреть как ведёт себя накопитель в двух вариантах электрической цепи:

• Постоянный ток . Если в цепь с подключённым к ней конденсатором подать ток, то можно увидеть, что стрелка на амперметре начнёт двигаться, а потом быстро вернётся в исходное положение. Это объясняется просто: устройство быстро зарядилось, то есть источник питания был уравновешен обкладками накопителя, и тока не стало. Поэтому часто говорят, что в условиях постоянного тока конденсатор не работает. Такое утверждение неправильное, всё функционирует, но очень непродолжительное время.
• Переменный ток - это когда электроны двигаются сначала в одну, а затем в другую сторону. Если представить такую цепь с подключённым к ней накопителем, то на обеих обкладках конденсатора будут попеременно накапливаться положительные и отрицательные заряды. Это говорит о том, что переменный ток свободно протекает через устройство.

Поскольку конденсатор задерживает постоянный ток, но пропускает переменный, отсюда формируются и сферы его назначения, например, для устройств, в которых нужно убрать постоянную составляющую в сигнале. Вполне очевидно, что накопитель обладает сопротивлением, а вот мощность на нём не выделяется, поэтому он не греется.

Основные виды

Рядовой пользователь не всегда знает о том, каким конденсатором снабжено его устройство. А ведь каждый вид имеет свои недостатки и преимущества, а также эксплуатационные особенности. Существуют две большие группы этих устройств, предназначенные для электрической цепи с переменным и постоянным током. Но всё-таки основная классификация ведётся по типу диэлектрика, который находится между облатками конденсатора. Основные виды:

Отдельно стоит отметить электролитические конденсаторы. Главное их отличие от других видов - подключения только к цепи постоянного или пульсирующего тока. Такие накопители имеют полярность - это особенность их конструкции, поэтому неправильное подключение ведёт к вздутию или взрыву устройства. Они обладают большой ёмкостью, что делает конденсатор электролитический пригодным для применения в выпрямительных цепях.

Сферы применения

Можно смело сказать, что конденсаторы используют практически во всех электронных и радиотехнических схемах. Чтобы иметь представление о том, где и зачем нужен конденсатор, следует вспомнить его способность сохранять заряд и разряжаться в нужное время, а также пропускать переменный ток и не пропускать постоянный. А это значит, что такие устройства используются во многих технических сферах, например:

Электрические накопители можно встретить как в телевизорах, так и в приборах радиолокации, где необходимо формировать импульс большой мощности, для чего и служит конденсатор. Невозможно встретить блок питания без этих устройств или сетевой фильтр.

Нужно сказать, что накопители применяют и в сферах, не связанных с электрикой, например, в производстве металла и добыче угля, где используют конденсаторные электровозы.

В электротехнике и радиоэлектронике широкое распространение получили различные виды конденсаторов. Каждый из них представляет собой устройство с двумя полюсами, имеющее определенное или переменное значение емкости и очень малую проводимость. Самый простой вариант конденсатора включает в себя два электрода в виде пластин или обкладок, где накапливаются разряды с противоположным значением. Чтобы избежать замыкания, они разделяются между собой тонкими .

Стандартный выпускаемый конденсатор состоит из электродов в виде многослойного рулона лент, разделяемых диэлектриком. Конфигурация конденсатора, чаще всего, представляет собой параллелепипед или цилиндр.

Как работает конденсатор

В сравнении с обычной батареей, конденсатор имеет существенные отличия. У него совершенно другая максимальная емкость, а также скорость зарядки и разрядки.

При подключении к источнику питания в самом начале ток зарядки будет иметь максимальное значение. Однако, по мере того, как заряд накапливается, наблюдается постепенное уменьшение тока, который полностью пропадает при полном заряде. Напряжение во время зарядки, наоборот, увеличивается и по окончании процесса становится равным напряжению в источнике питания.

Обозначение конденсаторов на схеме.

В случае подключения нагрузки при отключенном источнике питания, конденсатор сам становится источником тока. В этот момент, между пластинами происходит образование цепи. Через нагрузку происходит движение отрицательно заряженных электронов к ионам, обладающим положительным зарядом. В данном случае, вступает в силу закон притяжения разноименных зарядов. При прохождении тока через нагрузку происходит постепенная потеря заряда и, в конечном итоге, разрядка конденсатора. Одновременно, снижается напряжение и ток. Процесс разрядки считается завершенным, когда напряжение на электродах будет равным нулю.

Время зарядки полностью зависит от величины , а время его разрядки находится в зависимости от величины подключаемой нагрузки.

Применение конденсаторов

Конденсаторы, так же как транзисторы и , нашли широкое применение для электронных и радиотехнических схем. В электрических цепях они играют роль емкостного сопротивления. Благодаря способности к быстрой разрядке и созданию импульсов, они применяются в конструкциях фотовспышек, лазерах и ускорителях электромагнитного типа.

Очень эффективны конденсаторы при переключении электродвигателя с 380 на 220 вольт. Во время переключения к третьему выводу, происходит сдвиг фазы на 90 градусов. Таким образом, появляется возможность подключения трехфазного двигателя в однофазную сеть.

Принцип устройства простейшего (плоского) конденсатора представлен на рис. 1.

Рис. 1. Принцип устройства плоского конденсатора.

1 обкладки,
2 диэлектрик

Емкость такого конденсатора определяется известной формулой

Определяется формулой

Если использовать обкладки из фольги и многослойный пленочный диэлектрик, то можно изготовить конденсаторы рулонного типа, у которых удельная аккумулирующая способность находится приблизительно в пределах от 0,1 J/kg до 1 J/kg или от 0,03 mWh/kg до 0,3 mWh/kg. Из-за малой удельной аккумулирующей способности конденсаторы такого вида не подходят для длительного сохранения существенного количества энергии, но они широко применяются как источники реактивной мощности в цепях переменного тока и как емкостные сопротивления.

Значительно более эффективно энергия может аккумулироваться в электролитических конденсаторах , принцип устройства которых изображен на рис. 2.

Рис. 2. .

1 металлический лист или фольга (алюминий, тантал или др.),
2 диэлектрик из окиси металла (Al2O3 , Ta2O5 или др.),
3 бумага и т. п., пропитанная электролитом (H3BO3 , H2SO4 , MnO2 или др.) и глицерином

Так как толщина слоя диэлектрика в этом случае обычно остается в пределах 0,1 µm, то эти конденсаторы могут изготовляться с очень большой емкостью (до 1 F), но на относительно малое напряжение (обычно на несколько вольт).

Еще большую емкость могут иметь ультраконденсаторы (супер-конденсаторы, ионисторы) , обкладками которых служит двойной электрический слой толщиной в несколько десятых долей нанометра на границе раздела электрода, изготовленного из микропористого графита, и электролита (рис. 3).

Рис. 3. .

1 электроды из микропористого графита,
2 электролит

Эффективная площадь обкладок таких конденсаторов достигает, благодаря пористости, до 10 000 m2 на каждый грамм массы электродов, что позволяет достигать очень большой емкости при очень малых размерах конденсатора. В настоящее время ультраконденсаторы выпускаются на напряжение до 2,7 V и емкостью до 3 kF. Их удельная аккумулирующая способность находится обычно в пределах от 0,5 Wh/kg до 50 Wh/kg и имеются опытные образцы с удельной аккумулирующей способностью до 300 Wh/kg.

Технология изготовления ультраконденсаторов весьма сложна, и стоимость на единицу сохраняемой в них энергии поэтому намного выше, чем у других конденсаторов, доходя до 50 000 ?/kWh. Несмотря на это, благодаря простоте конструкции, малым размерам, надежности, высокому кпд (95 % и более) и долговечности (несколько миллионов циклов заряда-разряда), они стали применяться как в транспортных средствах, так и в промышленных силовых установках взамен электрохимических аккумуляторов и других средств аккумулирования энергии. Особо выгодны они тогда, когда энергия потребляется в виде коротких импульсов (например, для питания стартера двигателей внутреннего сгорания) или когда требуется быстрая (секундная) зарядка аккумулирующего устройства. Например, в 2005 году в Шанхае началась опытная эксплуатация ультраконденсаторных автобусов, батарея конденсаторов которых заряжается во время стоянки автобуса на каждой остановке.

Старейшим конденсатором и заодно старейшим аккумулятором электрической энергии могут считаться янтарные предметы, электризацию которых при трении шерстяной тканью обнаружил греческий философ Фалес приблизительно в 590 году д. р. Х. Он же назвал это явление электронным (от греческого слова электрон, ‘янтарь’). Первые электростатические генераторы, изобретенные в 17-ом веке, тоже представляли собой шаровые или цилиндрические конденсаторы, на поверхности которых мог накапливаться электрический заряд, достаточный для вызывания разрядных явлений. Первым настоящим конденсатором считается все же усилительная склянка, изобретенная 11 октября 1745 года в ходе опытов по электризации воды физиком-любителем, деканом Камминского (Cammin) кафедрального собора Эвальдом Юргеном фон Клейстом (Ewald Jurgen von Kleist, 1700–1748) (рис. 4);

Рис. 4. Конденсатор Эвальда Юргена фон Клейста.

1 склянка, наполненная водой,
2 гвоздь, образующий вместе с водой верхнюю обкладку,
3 провод к электростатическому генератору,
4 металлическая тарелка (нижняя обкладка).
U напряжение

У этого прибора можно четко различить две обкладки и диэлектрик между ними. Первый плоский конденсатор изготовил в 1747 году лондонский врач Джон Бэвис (John Bevis, 1693–1771), а сам термин конденсатор (ит. condensatore, ‘сгущать‘) ввел в 1782 году профессор экспериментальной физики университета Павии (Pavia, Италия) Алессандро Вольта (Alessandro Volta, 1745–1827). Первые электролитические конденсаторы разработал в 1853 году заведующий Кенигсбергским физиологическим институтом (Konigsberg, Германия) Герман фон Гельмгольц (Hermann von Helmholtz, 1821–1894), а первый ультраконденсатор с электродами из пористого графита представил на патентование в 1954 году научный сотрудник электротехнического концерна Дженерал Электрик (General Electric, США) Говард Беккер (Howard I. Becker). Практическое применение ультраконденсаторов стало быстро развиваться в первые годы 21-го века.

Функции электролитических конденсаторов

Меры предосторожности при использовании алюминиевых электролитических конденсаторов

1. При использовании в задачах, где к ним прикладывается постоянное напряжение, необходимо соблюдать правильную полярность. В противном случае, при установке конденсатора в обратной полярности, может уменьшиться его срок службы или, даже, конденсатор может быть поврежден. В цепях с неизвестной полярностью или если имеется возможность изменения полярности в цепи, следует использовать неполярные конденсаторы. Также нельзя применять полярные электролитические конденсаторы в задачах, где к ним прикладывается переменное напряжение.
2. Не подавайте на конденсатор напряжение, длительно превышающее номинальное напряжение. Это приведет к повреждению конденсатора вследствие повышенного тока утечки.
3. Используйте электролитический конденсатор при величине пульсаций тока через него в допустимых пределах.
4. Используйте электролитические конденсаторы в разрешенном диапазоне рабочих температур. Эксплуатация конденсаторов при комнатной температуре обеспечит более длительный срок службы.
5. Электролитические конденсаторы не подходят для схем с многократно повторяющимися циклами заряда и разряда. Их использование в схемах, в которых происходит многократно повторяющиеся глубокий разряд и заряд конденсатора, может приводить к уменьшению емкости или, даже, повреждению конденсатора. Если необходимо применить электролитический конденсатор для такой задачи, пожалуйста, обратитесь в наш инженерный отдел для технической консультации.
6. Если электролитические конденсаторы в течение длительного времени хранились в разряженном состоянии, используйте их только после предварительной тренировки. Продолжительное хранение без подачи постоянного напряжения может увеличить ток утечки конденсатора. В таких случаях перед использованием необходимо выполнить процедуру предварительной «подформовки» конденсатора подачей постоянного напряжения заданной величины.
7. Следует обратить особое внимание на соблюдение температурного режима и длительностей операций при пайке алюминиевых электролитических конденсаторов. Если температура пайки слишком высокая или время окунания выводов в припой слишком продолжительное, возможны деградация электрических характеристик конденсаторов и повреждение изоляционной оболочки, обтягивающей корпус. При пайке малогабаритных алюминиевых электролитических конденсаторов окунанием в припой, его температура не должна превышать 260°С, а продолжительность операции — не более 10 секунд.
8. Очистка печатных плат после пайки. Не рекомендуется использовать растворители на основе галогенированных углеводородов для очистки плат, на которых смонтированы алюминиевые электролитические конденсаторы с открытым уплотнением выводов. Если для очистки печатных плат необходимо использовать растворители на основе галогенированных углеводородов, следует применять конденсаторы с эпоксидным покрытием торцевых уплотнений.
9. Не следует допускать приложения чрезмерных усилий к выводам алюминиевого электролитического конденсатора. Это может привести к обрыву его выводов или внутренних присоединений. (Для определения допустимых механических нагрузок на выводы, пожалуйста, обратитесь к руководящим документам JIS C5102 и JIS C5141.)
10. Следует обеспечивать достаточный зазор между корпусом конденсатора и стенкой корпуса прибора (Рис.19).

Рис. 19. Минимально-допустимое расстояние между корпусом алюминиевого электролитического конденсатора и стенкой корпуса оборудования

Не препятствуйте работе вентиляционных систем, если иное не оговорено в каталогах или технических характеристиках оборудования. Слишком малый зазор между корпусом конденсатора и корпусом прибора может негативно повлиять на работу вентиляционной системы и привести к взрыву конденсатора.

Внимание!

• Информация, приведенная в данной статье, может быть изменена для улучшения качества продукции без предварительного извещения. Поэтому, пожалуйста, уточняйте актуальные спецификации прежде, чем заказать электролитические конденсаторы.

• Общие характеристики, данные о надежности и другие параметры алюминиевых электролитических конденсаторов, приведенные в этой статье, не должны рассматриваться как гарантированные значения — они являются лишь стандартными, типовыми величинами.
• Для правильного использования электролитических конденсаторов, пожалуйста, предварительно внимательно прочитайте рекомендации по применению, приведенные в этой статье.

Конденсатор – элемент, способный накапливать электрическую энергию. Название происходит от латинского слова «condensare» — «сгущать», «уплотнять».

Первый конденсатор был создан в 1745 году Питером ванн Мушенбруком. В честь города Лейдена, в котором его создали, изобретение впоследствии назвали «Лейденской банкой».

Конденсатор состоит из металлических электродов – обкладок, между которыми находится диэлектрик. По сравнению с обкладками, диэлектрик имеет небольшую толщину. Это и определяет свойство конденсатора накапливать заряд: положительные и отрицательные заряды на его обкладках удерживают друг друга, взаимодействуя через тонкий непроводящий слой.

Емкость конденсатора зависит от:

• площади обкладок (S);
• расстояния между ними (d);
• диэлектрической проницаемости материала диэлектрика между обкладками (ԑ).

Связаны они между собой формулой (формула емкости конденсатора):

Для увеличения площади обкладок пластины некоторых конденсаторов изготавливают из полосок фольги, разделенных полоской диэлектрика и скрученных в рулон. Увеличить емкость также можно уменьшением толщины диэлектрика между обкладками и применением материалов с большей диэлектрической проницаемостью. Между обкладками конденсаторов располагают твердые, жидкие вещества и газы, в том числе и воздух.

Конденсаторы небольшой емкости получают на печатных платах, располагая две дорожки напротив друг друга.

Каким бы качественным не был диэлектрик в конденсаторе, он все равно имеет сопротивление. Его величина велика, но в заряженном состоянии конденсатора ток между обкладками все равно есть. Это приводит к явлению «саморазряда »: заряженный конденсатор со временем теряет свой заряд.

Принцип работы конденсатора: его заряд и разряд

Заряд конденсатора. В момент подключения к источнику постоянного тока через конденсатор начинает протекать ток заряда. Он убывает по мере зарядки конденсатора и в итоге падает до величины тока саморазряда, определяющегося проводимостью материала диэлектрика.

Напряжение на конденсаторе плавно нарастает от нуля до напряжения источника питания.

При заряде конденсатора ток и напряжение изменяются по экспоненциальному закону. Время заряда можно определить по формуле:

Если сопротивление в формулу подставить в Омах, в емкость – в Фарадах, то получим время в секундах, за которое напряжение на конденсаторе изменится в е ≈ 2,72 раз. Конденсатор большей емкости будет разряжаться дольше, и быстрее разрядится на меньшую величину сопротивления.

Разряд конденсатора. Если к заряженному конденсатору подключить сопротивление нагрузки, то ток через нее вначале будет максимальным, затем плавно упадет до нуля. Напряжение на его обкладках тоже будет изменяться по экспоненциальному закону.

Применение конденсаторов

Наряду с резисторами конденсаторы являются самыми распространенными компонентами. Ни одно электронное изделие не может без него обойтись. Вот краткий перечень направлений использования конденсаторов.

Блоки питания : в качестве сглаживающих фильтров при преобразовании пульсирующего тока в постоянный.

Звуковоспроизводящая техника : создание при помощи RC-цепочек элементов схем, пропускающих звуковые сигналы одних частот и задерживая остальные. За счет этого удается регулировать тембр и формировать амплитудно-частотные характеристики устройств.

Радио- и телевизионная техника : совместно с катушками индуктивности конденсаторы используются в составе устройств настройки на передающую станцию, выделения полезного сигнала, фильтрации помех.

Электротехника . Для создания фазовых сдвигов в обмотках однофазных электродвигателей или в схемах подключения трехфазных двигателей в однофазную сеть. Используются в установках, компенсирующих реактивную мощность.

При помощи конденсаторов можно накопить заряд, превышающий по мощности источник питания. Это используется для работы фотовспышек , а также в установках для отыскания повреждений в кабельных линиях, выдающих мощный высоковольтный импульс в место повреждения.