Что такое конденсатор

Конденсатор - пассивный электронный компонент накапливающий электрический заряд и энергию электрического поля, или электронный компонент представляющий собой двухполюсник с постоянным и переменным значением ёмкости и малой проводимостью. На ровне с резистором используется повсеместно и массово в огромном множестве устройств.

Не стоит путать конденсатор с батарей или аккумулятором, хотя они также накапливают и сохраняют заряд, в отличии от них конденсаторы способны моментально отдать всю накопленную энергию.

Функции, выполняемые конденсатором:

• накопление энергии
• Фильтрация высокочастотных помех
• уменьшение пульсаций до минимума
• разделение сигнала на постоянные и переменные компоненты
• усиление сигнала при резонансе с катушкой индуктивности

Обозначение конденсатора на схемах:

- общее обозначение

- полярный конденсатор

Первое устройство, способное как конденсатор сохранять электрический заряд, было отчасти случайно открыто Питером Мушенбруком, проводившим эксперименты в голландском городе Лейден. Он предполагал, что электричество является текучим, имея туже природу, что и жидкость. А это значит, что его можно поместить в сосуд.

Сохранить электричество он пытался в установленной на изоляционный материал банке, внутри которой было небольшое количество воды, а энергия подавалась внутрь через идущий от генератора конец провода.

В 1746 году во время одного из экспериментов он забыл поставить банку на изолятор, вместо чего держал её в руке во время зарядки. В итоге дотронувшись до верха банки другой рукой Мушенбрук получил сильный удар током. Таким образом выяснилось, что если держать сосуд именно рукой или на другом проводящем материале, а не на диэлектрике, то в такой банке можно сохранять электрический заряд, а названа она была в честь города в котором была открыта - "лейденская банка". 

Сам термин "конденсатор" появился в 1782 году, его предложил Вольта для обозначений устройств способных хранить большую плотность заряда, чем изолированный проводник, но название стало общепринятым далеко не сразу и до сих пор может отличаться корнем в зависимости от языка и страны, а современное определение отличается.

В самом простом примере конденсатор состоит из двух проводящих ток обкладок и диэлектрика между ними. При присоединении цепи к источнику электрического тока через конденсатор начинает течь ток, который постепенно накапливается на обкладках. В случае с лейденской банкой жидкость внутри банки являлась первой обкладкой, рука - второй обкладкой, а стекло выполняло роль диэлектрика.

В 1830-х годах Майкл Фарадей в результате своих экспериментов определил, что материал находящийся между проводящими обкладками напрямую влияет на количество заряда сохраняющегося на пластинах, после чего со временем появилось множество видов конденсаторов с различными типами диэлектриков.

Основные термины связанные с конденсаторами:

  Обкладки - проводники тока, разделённые друг от друга, но расположенные достаточно близко, чтобы при накоплении достаточного заряда ток мог пройти через диэлектрик от одного проводника к другому.

  Диэлектрик - вещество или материал относительно плохо проводящее электрический ток, используемое для изоляции тока и разделения обкладок.

  Электролит - вещество, раствор или соединение, химические свойства которого приводят к накоплению ионов, обеспечивающее лучшее прохождение электрического тока.

  Номинальное напряжение - значение напряжения при котором он может работать в заданных условиях в течении срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

  Полярность конденсатора - характеристика определяющая имеет ли конденсатор определённые анод и катод

  Емкость - количество заряда, которое способен накопить конденсатор, она измеряется в фарадах.

  ТКЕ (Температурный Коэффициент Ёмкости) - относительное изменение ёмкости зависящая от изменения температуры. Указывается в спецификациях и не для всех типов конденсаторов.

  ЭПС (Эквивалентное Последовательное Сопротивление) (ESR) - характеристика обусловленная паразитным сопротивлением материала в конденсаторе. Обычно чем выше частота протекающего через конденсатор тока, тем более она ощутима.

  Потеря напряжения (Voltage loss) - Это потеря напряжения после воздействия импульса зарядки. Чем меньше показатель потери напряжения, тем добротнее считается конденсатор. Допустимое отклонение до 3% в отличном, до 5% в нормальном варианте. Всё что выше 5%, считается браком.

  Диапазон рабочих температур - Электролитические конденсаторы имеют установленный диапазон температур, в которых они могут функционировать. На корпусе устройства обычно указывается максимальная температура, например, +85 или +105 °C. Разные модели могут иметь различные рабочие диапазоны температур, которые могут варьироваться от -60 до +85 °C или от -25 до +105 °C. Чтобы уточнить допустимые температурные показатели для определенной модели, лучше всего обратиться к технической документации, прилагающейся к изделию. Максимально возможная температура конденсатора как правило указывается на корпусе элемента.

Виды конденсаторов

Постоянные конденсаторы - основной и наиболее распространённый класс конденсаторов в котором ёмкость не может быть изменена.

- Постоянный конденсатор на схеме

Переменные конденсаторы - конденсаторы, ёмкость которых может изменяться механическим способом и может производиться в процессе функционирования аппаратуры.

- Переменный конденсатор на схеме

Подстроечные конденсаторы - переменные конденсаторы, ёмкость которых изменяется при регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Обычно их ёмкость регулируется с помощью инструмента, например, отвёртки.

- Подстроечный конденсатор на схеме

По конструкции:

Чем больше размер проводящих обкладок и чем меньше зазор между ними, тем больше ёмкость конденсатора. По этой причине из соображений удобства с помощью разного рода ухищрений, особого построения конструкций и специальных материалов люди начали втискивать достаточно большую ёмкость в компоненты малых габаритов. 

Пакетные конденсаторы -  образованны чередующимися слоями обкладок и диэлектрика. Обкладки могут изготавливаться из фольги, а могут представлять собой слои на диэлектрических пластинах - напылённые или нанесённые вжиганием. К крайним (верхней и нижней) обкладкам с торцов пакета присоединяются контакты выводов, которые изготавливаются из проволоки или ленточных полосок. Пакет опрессовывается, герметизируется, покрывается защитной эмалью.

Трубчатые конденсаторы - представляют собой керамическую трубку на наружную и внутреннюю стороны которой нанесён проводящий слой (зачастую серебряный), с которым на концах трубки соединяются проволочные выводы, после чего снаружи деталь обрабатывается изоляционным защитным покрытием.   

Такую конструкцию могут иметь высокочастотные конденсаторы, но сейчас такая конструкция считается устаревшей и практически не используется. 

Дисковая конструкция - конструкция в которой используется керамический диск с которым, по разные стороны, соединяются обкладки и выводы.

Дисковые конденсаторы схожи с трубчатыми, но компактнее и дешевле в производстве, потому они значительно чаще применяются в наше время. 

Литая секционированная конструкция - также считается устаревшей, используется в монолитных многослойных керамических конденсаторах. Также как и в случае с дисковыми и трубчатыми конденсаторами берётся специальная литая керамическая деталь, в этот раз с чередующимися с разных сторон пазами. Пазы заполняются фольгой или серебряной пастой, которую закрепляют методом вжигания. К заполненным пазам припаиваются выводы и наносится покрытие.

Рулонная конструкция - один из самых распространённых типов конденсаторов. В бумажных и плёночных конденсаторах в рулоне чередуя 2 слоя диэлектрика и 2 слоя обкладки из фольги, получается так, что свёрнутые слои большой длинны и толщиной около 5-6 мкм занимают малую площадь при высоких показателях ёмкости.

Резервуарная конструкция - характерна для жидкостных конденсаторов. В герметизированном корпусу цилиндрической формы расположен анод конденсатора, помещённый в электролит из серной кислоты, внутренние стенки конструкции защищены от воздействия покрытия специальным покрытием, представляющие анод

По виду диэлектриков:

Основной признак, по которому классифицируются конденсаторы, так как именно материал диэлектрика определяет многие характеристики конденсатора.

Вакуумные конденсаторы - специфический вид конденсаторов, которые содержат между служащими опорой механически прочными обкладками вакуум. Такие конденсаторы обычно отличаются прочностью, стабильностью и долговечностью, при этом обладают высокой ёмкостью и мощностью на единицу объёма.

Несмотря на специфичность они имеют широкий спектр применения, например в ракетостроении и авиационной промышленности, получили широкое применение в области высокочастотной и высоковольтной радиоэлектроники. Применение вакуума в качестве диэлектрической среды позволяет создавать конденсаторы, которые в определённых диапазонах рабочих частот, при их небольшом весе и размерах, обладают превосходными электрическими и эксплуатационными свойствами по сравнению с конденсаторами, заполненными газом, а также с слюдяными и керамическими моделями.

Газовые конденсаторы - конденсаторы с газообразным диэлектриком, к таким относятся газонаполненные и воздушные конденсаторы. Они схожи с вакуумными конденсаторами и зачастую их объединяют в одну группу. Применяются в электрических цепях и приборах с высокими показателями напряжения и частоты.

Конденсаторы с жидким диэлектриком имеют более высокую диэлектрическую проницаемость, что повышает ёмкость и электрическую прочность, также как газовые и вакуумные. Главным минусом такой конструкции является то, что жидкость в них постепенно нагревается, что означает ТКЕ таких устройств будет высоким, в связи с чем они мало стабильны.

Конденсаторы с твёрдым диэлектриком. В роли диэлектрика могут выступать неорганические вещества (стеклянные, слюдяные, керамические) или органические (бумажные, металлобумажные, комбинированные - бумажноплёночные). Зачастую некоторые виды таких конденсаторов могут быть внешне разнообразны, а некоторые бывают похожи на некоторые виды резисторов, важно их не путать. Бумажные конденсаторы в наше время используются редко.

Также керамика обладает пьезоэлектрическим эффектом, поэтому некоторые из таких конденсаторов обладают микрофонным эффектом. Это нежелательное явление, которое может становится причиной помех.

Многослойные конденсаторы являются логическим продолжением темы конденсаторов с твёрдым диэлектриком, и во многом схожи с ними. Они имеют диэлектрический слой из полимерной плёнки, расположенный между слоями обкладок из металлофольги.

В основном применяются многослойные SMD конденсаторы, так как они обладают рядом преимуществ. Во-первых, они демонстрируют отличную стабильность работы. Во-вторых, их уровень потерь достаточно низок, что делает их привлекательными для различных применений. Также стоит отметить минимальное последовательное сопротивление, что способствует более эффективной работе устройства. Допустимое отклонение от номинального напряжения у них тоже довольно невелико. Кроме того, максимальная емкость этих конденсаторов, составляющая несколько десятков микрофарад, является оптимальной для многих задач. Их компактные размеры делают их особенно удобными для размещения на печатных платах. Эти характеристики делают многослойные SMD конденсаторы универсальными и востребованными в электронике.

Другими видами твёрдых диэлектриков является тантал и слюда.

Слюдяные конденсаторы обладают рядом уникальных характеристик, таких как:

• высокая степень стабильности;
• минимальные потери энергии;
• отличные параметры при высокочастотной работе.

Эти компоненты имеют сравнительно высокую стоимость и чаще всего находят применение в радиочастотных схемах. В устройствах малой мощности, как правило, предпочтение отдается керамическим конденсаторам.

Танталовые конденсаторы отличают: 

• компактные размеры;
• высокие показатели емкости;
• обеспечивает отличную стабильность.

Часто используется в схемах хранения выборки и в качестве фильтра для питания цепей. Главным их минусом является то, что небольшое превышение номинала может привести к отказу в функционировании.

Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы - обычно рулонные конденсаторы, в которых как диэлектрик используется оксидная плёнка. Такие конденсаторы полярные в них анодом является металлическая пластина, а катодом - твёрдый жидкий или гелеобразный электролит. Такие конденсаторы встречаются крайне часто.

Электролитические конденсаторы в первую очередь применяются для уменьшения пульсаций тока в цепях выпрямителей, работающих с переменным током. Они также находят широкое применение в аудиотехнике, где служат для разделения пульсирующего тока (состоящего из звуковой частоты и постоянной составляющей) на две компоненты: постоянную и переменную, которая затем направляется на последующий этап усиления. Такие устройства обычно называются разделительными конденсаторами.

Пленочные конденсаторы - основной недостаток таких конденсаторов заключается в том, что их ёмкость ниже по сравнению с электролитическими. Это означает, что при одинаковых габаритах плёночные конденсаторы имеют меньшую ёмкость.

К положительным аспектам можно отнести более низкое значение эквивалентного последовательного сопротивления (ESR), что позволяет им лучше справляться с пульсациями тока и устойчивость к резким изменениям напряжения.

Плёночные конденсаторы находят применение в мощных устройствах, способных функционировать при напряжениях в тысячи вольт. Их также часто используют в схемах, связанных с аналого-цифровым преобразованием.

Твердотельные конденсаторы - твёрдые конденсаторы, в которых в качестве электролита используется специальный токопроводящий органический полимер или полимеризованный органический полупроводник. Такие конденсаторы обычно дороже, но они не взрываются и способны работать до отказа дольше, а их ЭПС ниже и меньше увеличивается с повышением температуры.

Также стоит упомянуть ионисторы, также называемые EDLC (Electric Doule Layer Capacitor), суперконденсаторы, ультраконденсаторы - это электрохимическое устройства, с органическим или неорганическим электролитом, "обкладками" в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. Занимает такой компонент промежуточное положение между мощным конденсатором и химическим источником постоянного тока. Суперконденсаторы внешне выглядят и применяются как обычные конденсаторы, но их энергоёмкость намного больше. Используются они для питания и аккумулирования энергии во множестве электрических устройств и бытовых приборов там, где есть необходимость быстрого заряда-разряда.

Внутри ионисторов происходят электрохимические процессы, между обкладками находится разделитель, а сами они выполнены из веществ, которые являются носителями заряда противоположного типа, потому ионисторы являются полярными. В результате электрохимической реакции отдельные электроны покидают обкладку, в результате чего она заряжается положительно, после чего через электролит на них перетекают отрицательно заряженные ионы. 

Недостатками ионисторов является высокая в сравнении с аккумуляторами и конденсаторами стоимость и малое рабочее напряжение (до 2,7 Вольт на элемент), в связи с чем в некоторых ситуациях есть необходимость собирать ионисторы в батареи. 

Применение

Конденсаторы находят широкое применение в различных областях электроники и электроэнергетики благодаря своей способности накапливать и высвобождать электрический заряд. Их использование охватывает обширный спектр, начиная от простых электронных устройств и заканчивая сложными индустриальными системами. Вот несколько типичных примеров работы с конденсаторами:

• Фильтрация питания. Конденсаторы предназначены для сглаживания пульсаций, возникающих после выпрямления в источниках питания. Они аккумулируют заряд при высоком напряжении и отдают его, когда напряжение падает, тем самым улучшая качество выходного напряжения.
• Сигнальные цепи и связь. В радиочастотной и аудиотехнике конденсаторы блокируют постоянный ток и пропускают переменный.
• Стабилизация напряжения и тока. В цепях обратной связи они способствуют уравновешиванию напряжения и тока, предотвращая резкие колебания.
• Тайминг и задержка. Вместе с резисторами конденсаторы формируют RC-цепи, которые обеспечивают временные задержки и таймеры в электронных схемах.
• Снижение помех. В EMI/RFI фильтрах конденсаторы уменьшают электромагнитные помехи, направляя нежелательные сигналы на землю или источник питания.
• Медицинские устройства. Конденсаторы играют ключевую роль в дефибрилляторах, которые используются для накопления и быстрого высвобождения электрической энергии с целью восстановления сердечного ритма. Кроме того, в оборудовании для медицинской визуализации конденсаторы необходимы для управления и стабилизации уровня тока и напряжения.
• Запуск электродвигателей. В различных сферах, как в промышленности, так и в быту, конденсаторы применяются для создания необходимого фазового сдвига, который позволяет запускать однофазные электродвигатели.
• Улучшение коэффициента мощности. В энергетических системах промышленного назначения конденсаторы используются для оптимизации коэффициента мощности. Это достигается за счёт снижения реактивной мощности, что, в свою очередь, способствует повышению общей эффективности системы.

Не стоит забывать, что на бумаге конденсаторы не проводят ток, а на самом деле у них есть множество параметров, таких как сопротивление и индуктивность, потому при использовании в схеме стоит узнать некоторые подробности и особенности, нужно выбрать подходящий тип конденсатора, проверить компонент на исправность, правильность применения и точность показаний, иначе есть риск нестабильной работы или даже выхода прибора из строя.