Що таке конденсатор і для чого він потрібний

В електротехніці та електроніці крім резистора є низка інших пасивних компонентів. Один із них – конденсатор. Його використовують у фільтрах як накопичувач енергії в джерелах живлення, як компенсатор реактивної потужності, а також в інших сферах. У цій статті ми розглянемо, як працює конденсатор і що таке взагалі.

Визначення

Слово конденсатор походить від латинського condensatio, що перекладається як накопичення. У фізиці цей термін використовується для опису цілої ніші електротехнічних виробів, призначення яких працюватиме як накопичувач енергії. Кількість накопиченої енергії залежить від ємності та квадрата напруги на його обкладках, поділена на 2. При цьому струм через нього протікає тільки в процесі заряду. Але про все по порядку.

E=(CU2)/2

Якщо сказати по-простому, то конденсатор - це пристрій, що здатний накопичувати енергію в електричному полі. У найпростішому варіанті і двох провідників (обкладок), розділених діелектриком. На малюнку нижче ви бачите спрощену схему зовнішнього пристрою плоского конденсатора. Умовне позначення на схемі є 2 риси заввишки 8 мм, з відривом 1,5 мм друг від друга.

Принцип роботи

Тепер, коли знаємо, як позначається даний елемент на схемах, слід розглянути принцип роботи конденсатора. Коли обкладки конденсатора підключають до джерела живлення, електричні заряди від позитивного та негативного затиску ІП прямують до обкладок, накопичуючись на них.

Електричний струм переривається після заряду конденсатора до номінальної ємності, оскільки між обкладками знаходиться шар діелектрика, він не може протікати постійно. Коли джерело живлення відключать, на конденсаторі залишаться заряди, а отже й залишиться напруга на його висновках.

Заряди, скупчені кожної з обкладок, протилежні. Відповідно, та обкладка, що була підключена до плюсового виведення джерела живлення – заряджена позитивно, а та, що до мінусового – негативно. Принцип роботи цього виробу ґрунтується на тяжінні різноїменних зарядів в електричному ланцюзі.

Простими словами конденсатор збереже ту енергію, яка була передана від джерела живлення – у цьому полягає його призначення. Однак на практиці є різноманітні втрати та витоку.

Цікаво! Лейденська банка – це прообраз сучасних конденсаторів, що народився світ 1745 року. Цей пристрій міг накопичувати енергію і витягувати іскри при замиканні його обкладок. Зовнішній вигляд та конструкцію ви бачите нижче.

А на малюнку нижче ви бачите конструкцію найпростішого плоского конденсатора – дві обкладки, розділені діелектриком:

Так як ємність прямо пропорційна площі обкладок і обернено пропорційна відстані між ними - те щоб збільшити ємність, інженери розробили ряд інших форм конденсаторів. Наприклад, згорнуті в спіраль обкладки - так їх площа ставала набагато більше при тих же габаритних розмірах, а також циліндричні і сферичні рішення.

Один із законів комутації свідчить, що напруга на обкладках конденсатора неспроможна зміниться стрибком, як і ілюструє наступна мініатюра.

Види

Класифікація конденсаторів може відбуватися за різними критеріями.

За постійною ємністю:

  • Постійні.
  • Змінні. Їх ємність може змінюватися або вручну оператором (користувачем) пристрою, або під впливом напруги (як у варикапах та варикондах).

По полярності напруги, що прикладається:

  • Неполярні - можуть працювати в ланцюгах змінного струму.
  • Полярні - при підключенні напруги неправильної полярності виходять з ладу.

Залежно від того, де використовуються ці компоненти, розрізняють різні варіанти матеріалу:

  • Паперові та металообладнанні – це звичні багатьом, поширені за радянських часів конденсатори у вигляді прямокутної цегли з маркуванням на кшталт «МБГЧ». Вигляд цього виду конденсаторів ви бачите нижче. Вони неполярні.

  • Керамічні – ними часто фільтрують високочастотні перешкоди, а відносна діелектрична проникність дозволяє робити багатошарові компоненти з ємністю порівнянної електролітів (дорого), не чутливі до полярності.
  • Плівкові – поширені у вигляді коричневих подушечок, недорогі, використовуються повсюдно. Характерні малим струмом витоку, невеликою ємністю, високою робочою напругою та нечутливістю до полярності доданої напруги.

З повітряним діелектриком. Найкращий приклад такого елемента - підстроювальний конденсатор резонансного контуру з радіоприймача, ємність таких елементів невелика, але зручно реалізувати її зміну.

Електролітичні – це елементи у вигляді барил, їх встановлюють найчастіше як фільтр мережевих пульсацій у БП. Конструкція та принцип дії дозволяють отримати велику ємність при невеликих розмірах, але з часом можуть висихати, втрачати ємність або здуватись. Як виглядають у справному стані, ці вироби ви бачите нижче. Як діелектрик використовують тонкий шар оксиду металу. Якщо БП використовують конденсатори з діелектриком з AL2O3 – т.зв. "Алюмінієві електроліти", то для роботи у високочастотних ланцюгах - використовують танталові (Ta205 - вони також відносяться до електролітів) конденсатори, тому що у них менший струм витоку, більша стійкість до зовнішніх впливів на відміну від попередніх, алюмінієвих.

Полімерні – здатні витримувати великі імпульсні струми, працювати за низьких температур

Основні технічні характеристики

Якщо ви ремонтуєте або розробляєте електронний пристрій, вам знадобиться підбирати відповідний конденсатор для заміни того, що вийшов з ладу. А для цього потрібно ознайомитись з основними технічними характеристиками конденсатора, від яких залежить його робота в електричному ланцюзі.

Номінальна ємність. Характеризує основне призначення компонента - який заряд може запасати. Основна характеристика вимірюється у фарадах [Ф]. Однак така одиниця виміру занадто велика, тому використовують частки:

  • Міліфаради, мФ - 0, 001 Ф (10-3);
  • Мікрофаради, мкФ - 0, 000001 Ф (10-6);
  • Нанофаради, нФ - 0, 000000001 Ф (10-9);
  • Пікофаради, пФ - 0, 000000000001 Ф (10-12).

Номінальна напруга – це така напруга, до якої конденсатор може гарантовано працювати у нормальному режимі. При перевищенні цього значення з великою ймовірністю відбувається пробою діелектрика. Можливо від одиниць вольт (для електролітів) і до тисяч вольт (плівка та кераміка). При ремонті ця величина повинна бути не нижче, ніж у того, що вийшов з ладу, вище - можна!

Допуск відхилення — наскільки реальна ємність може відрізнятися від номінальної заявленої. Може досягати 20-30%, але є й високоточні моделі з допуском до 1% - для застосування в ланцюгах, де потрібна особлива точність.

Температурний коефіцієнт ємності – це параметр важливий для електролітів. У алюмінієвих конденсаторів при зниженні температури знижується ємність та збільшується питомий електричний опір (в англ. ESR)

ESR - еквівалентний послідовний опір, також важливий для електролітів. Простою мовою – чим вона більша, тим гірша. У кондерів, що здулися, ESR підвищується.

Де і для чого застосовуються

Все ж таки відповімо на запитання «для чого призначений конденсатор?» з практичної точки зору. І тому розглянемо кілька схем.

Найширше застосування електролітичні конденсатори знайшли як вже неодноразово згаданого фільтра мережевих пульсацій у блоках живлення. На схемі нижче зображено де саме встановлюється електроліт. Чим більше навантаження - тим більша ємність електроліту потрібна для згладжування пульсацій.

Наступне місце, де застосовуються конденсатори – це фільтри високих та низьких частот. Нижче на схемі наведено типові включення. Таким чином, в акустичних системах розводять баси, середні та високі частоти по динаміках без застосування активних компонентів.

Баластові блоки живлення часто використовуються для заряджання невеликих акумуляторів та живлення малопотужних пристроїв, таких як дешеві світлодіодні лампочки, радіоприймачі та інші. Плівковий конденсатор встановлюється послідовно з пристроєм живлення, обмежуючи струм за рахунок свого реактивного опору - в цьому і полягає принцип роботи такої простої схеми.

Снабери – це пристрої, призначені для захисту напівпровідникових ключів та контактів реле від навантажень, що виникають під час комутації. У сучасних імпульсних високочастотних БП знайшли застосування снаббери з резистора та конденсатора, таким чином покращуються основні параметри в ланцюгу та знижуються навантаження на ключі, як і втрати потужності на його нагрівання. Принцип дії снаббера полягає у уповільненні фронтів зростання та спаду напруги на ключі за рахунок використання постійного часу заряду ємності.

Висновок

Ми розглянули, що таке конденсатор, як він влаштований та яку функцію виконує. Для більш глибокого вивчення вам потрібно щільно ознайомитися з тим, які бувають види конденсаторів та їх практичні особливості роботи в різних ланцюгах та застосуваннях. Так, наприклад, у випадках, коли потрібна особлива точність у роботі та надійність застосовують low-ESR електроліти або танталові, тоді як у фільтр на випрямлячі особливої ​​різниці немає, що ставити.

Насамкінець рекомендуємо переглянути корисні відео за темою статті:

Також читають:

Ви не маєте права надсилати коментарі