Конденсатор: пристрій, принцип роботи, застосування

В електротехніці і електроніці крім є ряд інших пасивних компонентів. Один з 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 це таке взагалі.

визначення

Слово конденсатор походить від латинського «condensatio», що перекладається як «накопичення». У фізиці цей термін вживається для опису цілої ніші електротехнічних виробів, призначення яких працювати як накопичувач енергії. Кількість накопиченої енергії залежить від ємності і квадрата напруги на його обкладках, поділене 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 здатне накопичувати енергію в електричному полі. У найпростішому варіанті складається з двох провідників (обкладок), розділених діелектриком. На малюнку нижче ви бачите спрощену схему зовнішнього пристрою плоского конденсатора. Умовне позначення на схемі являє собою 2 риси висотою в 8 мм, на відстані в 1,5 мм один від одного.

Принцип роботи

Тепер, коли ми знаємо, як позначається даний елемент на схемах, потрібно розглянути принцип роботи конденсатора. Коли обкладки конденсатора підключають до джерела живлення, електричні заряди від позитивного і негативного затиску ІП спрямовуються до обкладкам, накопичуючись на них.

Електричний струм переривається після заряду конденсатора до номінальної ємності, так як між обкладинками знаходиться шар діелектрика він не може протікати постійно. Коли джерело живлення відключать, на конденсаторі залишаться заряди, а значить і залишиться напруга на його висновках.

Заряди, що зібралися на кожній з обкладок, протилежні. Відповідно та обкладка, що була підключена до плюсового висновку джерела живлення – заряджена позитивно, а та, що до мінусової – негативно. Принцип роботи цього виробу заснований на тяжінні різнойменних зарядів в електричному ланцюзі.

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

Цікаво! Лейденська банку – це прообраз сучасних конденсаторів, що народився на світ в 1745 році. Це пристрій було здатне накопичувати енергію і отримувати іскри при замиканні його обкладок. Зовнішній вигляд і 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 – то щоб збільшити ємність, інженери розробили ряд інших форм конденсаторів. Наприклад, згорнуті в спіраль обкладання – так їх площа ставала у багато разів більше за тих же габаритних розмірах, а також циліндричні і сферичні рішення.

Один із законів комутації говорить, що напруга на обкладинках конденсатора не може зміниться стрибком, що і ілюструє наступна мініатюра.

види

Класифікація конденсаторів може відбуватися за різними критеріями.

За постійності ємності:

  • Постійні.
  • Змінні. Їх ємність може змінюватися або вручну оператором (користувачем) пристрої, або під впливом напруги (як в варикапах і варіконд).

За полярності прикладається напруги:

  • 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 по матеріалу:

  • Паперові та металопаперові – це звичні багатьом, поширені за радянських часів конденсатори в вигляді прямокутних цеглинок з маркуванням на зразок «МБГЧ». Зовнішній 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, невеликий ємністю, високою робочою напругою і нечутливістю до полярності прикладеної напруги.
  • З повітряним діелектриком. Кращий приклад такого елемента – підлаштування конденсатор резонансного контуру з радіоприймача, ємність таких елементів невелика, але зручно реалізувати її зміна.
  • Електролітичні – це елементи у вигляді діжок, їх встановлюють найчастіше в якості фільтра мережевих пульсацій в БП. Конструкція і принцип дії дозволяють отримати велику ємність при невеликих розмірах, але з часом можуть висихати, втрачати ємність або здуватися. Як виглядають в справному стані ці вироби ви бачите нижче. В якості діелектрика використовують тонкий шар оксиду металу. Якщо в БП використовують конденсатори з діелектриком з AL2O3 – т.зв. «Алюмінієві електроліти», то для роботи в високочастотних ланцюгах – використовують танталові (Ta205 – вони також відносяться до електролітів) конденсатори, тому що у них менший струм витоку, велика стійкість до зовнішніх впливів на відміну від попередніх, алюмінієвих.
  • Полімерні – здатні витримувати великі імпульсні струми, працювати при низьких температурах

Основні технічні характеристики

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

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

  • Міліфаради, мФ – 0, 001 Ф (10-3);
  • Мікрофарад, мкФ – 0, 000 001 Ф (10-6);
  • Нанофарадах, нФ – 0, 000 000 001 Ф (10-9);
  • Пикофарад, пФ – 0, 000 000 000 001 Ф (10-12).

Номінальна напруга – це така напруга, до якого конденсатор може гарантовано працювати в нормальному режимі. При перевищенні цього значення з великою часткою ймовірності відбувається пробій діелектрика. Може бути від одиниць вольт (для електролітів) і до тисяч вольт (плівка і кераміка). При ремонті ця величина повинна бути не нижче, ніж у що вийшов з ладу, вище – можна!

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

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

ESR – еквівалентний послідовний опір, також важливий для електролітів. Простою мовою – чим він більший, тим гірше. У роздулися кондери ESR підвищується.

У таблиці нижче ви бачите допустимі значення ESR для різних номінальних ємностей і напруг.

Де і для чого застосовуються

Все ж відповімо на питання «для чого призначений конденсатор?» З практичної точки зору. Для цього розглянемо кілька схем.

Саме широке застосування електролітичні конденсатори знайшли в якості вже не раз згаданого фільтра мережевих пульсацій в блоках харчування. 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 і низьких частот. Нижче на схемі наведені типові включення. Таким чином в акустичних системах розводять баси, середні і високі частоти по динаміках без застосування активних компонентів.

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

Снаббери – це пристрої, призначені для захисту напівпровідникових ключів і контактів реле від навантажень, що виникають при комутації. В сучасних імпульсних високочастотних БП знайшли застосування снаббери з резистора і конденсатора, таким чином поліпшуються основні параметри в ланцюзі і знижуються навантаження на ключі, як і втрати потужності на його нагрівання. Принцип дії снаббера полягає в уповільненні фронтів зростання і спаду напруги на ключі за рахунок використання постійної часу заряду ємності.

висновок

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

Наостанок рекомендуємо переглянути корисні відео по темі статті:

Також читають:

Ссылка на основную публикацию