Как работает конденсатор в цепи переменного и постоянного тока

В 18 веке в Голландии в городе Лейден ученому сообществу была продемонстрирована стеклянная банка, внешняя и внутренняя поверхность которой были оклеены металлической фольгой. Эта конструкция могла накапливать электрический заряд и отдавать его. Лейденская банка стала прообразом современного конденсатора – пассивного электронного компонента, широко применяющегося в электронике и электротехнике.

Что такое конденсатор, для чего нужен

Конденсатором называется электронный элемент, главной рабочей характеристикой которого является электрическая ёмкость. Подобные компоненты применяются:

1. В частотозадающих цепях.
2. В электрических фильтрах.
3. В фильтрах напряжения.
4. В качестве реакторов, ограничивающих ток в цепях переменного напряжения.
5. Для накопления электрической энергии.
6. В качестве элементов блокировки по переменному току.
7. В качестве элементов, разделяющих участки схемы по постоянному току.
8. В других целях.

Этот компонент является пассивным, то есть, свои функции он может выполнять без подачи питающего напряжения.

Как работает конденсатор в электрических цепях

Чтобы правильно применять эти электронные компоненты, надо понимать принцип работы конденсатора и как он ведет себя в различных условиях.

Устройство

Самый распространенный конденсатор – плоский — состоит из двух проводящих (обычно, металлических) пластин, которые называются обкладками. Обкладки разделены слоем диэлектрика-сепаратора, который может быть как газом (воздух) или вакуумом, так и твердым веществом (бумага, пластик, керамика и т.п.), а также жидкостью (масло). Диэлектрик определяет электрическую прочность устройства (задает максимально возможное напряжение на обкладках конденсатора), а также напрямую влияет на его емкость. К каждой обкладке присоединен вывод для подключения конденсатора в цепь.

Для уменьшения габаритов обкладки, разделенные диэлектриком, часто сворачивают в рулон или брикет и помешают в корпус для прочности и удобства монтажа.

Процесс накопления заряда

Если конденсатор включить в цепь постоянного тока, то его пластины зарядятся разноименными зарядами – одна обкладка положительно, а другая отрицательно. Тока в цепи не будет, потому что электроды разделены диэлектриком. Если источник питания отключить, заряды на обкладках сохранятся, ведь притянуться им мешает непроводящий слой (реальный элемент со временем все же будет разряжаться из-за неидеальности диэлектрика).

Характерной особенностью конденсатора является способность постепенно накапливать заряд, а потом отдать его за кратчайший промежуток времени.

В цепях переменного тока этот элемент ведет себя несколько иначе. Из-за постоянного перезаряда (циклы заряда и разряда чередуются по мере смены полярности напряжения), через конденсатор течет ток, который при постоянной частоте зависит от емкости. В этом случае можно провести определенную аналогию с резистором, который имеет одинаковое сопротивление как для постоянного, так и для переменного тока. Сопротивление же конденсатора выражается, как X=1/ωC, где ω=2*π*f – круговая частота, а С – емкость конденсатора.

Ключевые характеристики

Для правильного применения элементов в электронных узлах, надо знать основные параметры конденсаторов и на что они влияют.

Емкость

Самой первой характеристикой, с которой надо ознакомиться при подборе конденсатора, является его емкость. Она определяет способность элемента накапливать заряд и от нее зависит реактивное сопротивление в цепях переменного тока. Единицей измерения емкости в СИ является 1 Фарад (1 Ф).

В технической литературе можно встретить и устаревшее употребление единицы емкости – фарада. В настоящее время этот термин вышел из употребления.

Емкость конденсатора определяется по формуле C=S*ε* ε₀/d, где:

• S – площадь обкладок;
• ε – диэлектрическая проницаемость сепаратора;
• ε₀ – электрическая постоянная (безразмерная величина, равна 8,854187817×10^-12)
• d – расстояние между обкладками.

Из формулы следует, что увеличение площади обкладок ведет к повышению ёмкости, а увеличение расстояния между обкладками, наоборот, уменьшает ёмкость.

На искомую величину существенно влияет диэлектрик. Например, диэлектрическая проницаемость воздуха примерно равна единице, а бумаги – около 2. Поместив между обкладками вместо воздуха бумагу, можно в тех же габаритах увеличить емкость вдвое, а применив слюду – в 5..10 раз.

Напряжение

Диэлектрик, разделяющий обкладки, рассчитан на определенное напряжение. При его превышении происходит пробой разделяющего слоя и выход элемента из строя. Чтобы увеличить электрическую прочность диэлектрика, надо увеличивать его толщину, а чтобы сохранить при этом емкость, надо увеличивать площадь обкладок. Поэтому конденсаторы равной емкости, но рассчитанные на более высокое напряжение, имеют увеличенные размеры. На некоторые элементы допустимое рабочее напряжение наносится прямо на корпус. Для других этот параметр можно посмотреть в справочнике.

Температурный коэффициент емкости

При изменении температуры изменяется площадь пластин и толщина диэлектрика. При нагреве площадь и толщина увеличиваются. Первый процесс ведет к повышению емкости, второй – к ее снижению. В зависимости от того, чей вклад перевесит, итоговая емкость конденсатора может увеличиться или уменьшиться. При охлаждении площадь уменьшится, но уменьшится и расстояние между обкладками за счет уменьшения толщины диэлектрика. В этом случае емкость может увеличиться или уменьшиться – в зависимости от того, какой процесс «победит».

Если в результате нагрева емкость элемента увеличится, говорят, что он обладает положительным температурным коэффициентом емкости (ТКЕ). Если уменьшается – ТКЕ отрицателен. Значение коэффициента можно посмотреть в справочных данных на компонент.

Мощность

В некоторых случаях важно не только рабочее напряжение на обкладках конденсатора, но и ток. Такое требования предъявляется, например, к конденсаторам, работающих в цепях радиочастотных усилителей. Поэтому производители конденсаторов указывают наибольшую реактивную мощности (в ВАРах) для каждой модели. Эти данные тоже можно найти в справочниках, но на вид, обычно, соотношение такое – чем больше габариты, тем больше реактивная мощность, которую выдерживает конденсатор.

Типы конденсаторов

В первую очередь, конденсаторы можно разделить на две большие категории – переменной емкости и постоянной емкости. Внутри каждой категории также есть деление на классы.

Конденсаторы постоянной емкости

Емкость этих конденсаторов неизменна (может меняться только нештатно, под действием внешних воздействий – температуры и т.п.). В этой категории элементы делятся, в основном, по типу диэлектрика (он часто определяет конструкцию компонентов). Основные типы элементов, применяющихся в электронике и электротехнике, перечислены ниже.

Оксидные

Конструкция элементов этого класса состоит из:

• двух полос металлической фольги;
• разделяющей их полосы бумаги.

Все это свернуто в рулон и помещено в корпус (металлический стакан), наполненный проводящей жидкостью (электролитом). Одной обкладкой служит полоска металлической фольги, другой — электролит. Роль диэлектрика выполняет слой оксида, сформированный на поверхности металлической ленты-обкладки. Вторая лента из фольги нужна лишь для контакта с электролитом, а бумага служит сепаратором для исключения прямого электрического контакта лент. За счет того, что слой оксида получается очень тонким, расстояние между обкладками (фольгой и электролитом) получается маленьким. За счет этого достигается большая емкость при относительно малых габаритах.

Эти конденсаторы раньше назывались электролитическими. Этот термин можно встретить и сейчас.

Но за все надо платить. Тонкий слой оксида в качестве диэлектрика подразумевает пониженное рабочее напряжение и повышенный ток утечки. Кроме того, слой оксида обладает односторонней проводимостью, поэтому включать такие конденсаторы в цепи переменного тока нельзя, а в цепи постоянного тока они включаются с соблюдением полярности. Поэтому такой конденсатор относится к классу полярных.

Бумажные и металлобумажные

Устаревший тип, в качестве диэлектрика в котором используется электротехническая бумага. Частотные свойства и массогабаритные характеристики не соответствуют современным требованиям. Но иногда их можно встретить (преимущественно, в старой радиоаппаратуре).

Керамические

В этих элементах обкладки разделяет слой специальной керамики. Она имеет высокое значение ε, поэтому подобные конденсаторы имеют высокую удельную емкость. Также они отличаются хорошими частотными характеристиками (керамика хорошо работает в качестве диэлектрика на высоких частотах), а также такой сепаратор позволяет получить высокие значения рабочего напряжения. А еще керамические конденсаторы хорошо работают в сглаживающих фильтрах блоков питания. На сегодняшний день это самый распространенный и универсальный тип элементов.

Используя различные присадки, можно изменять свойства керамики. Это позволяет по необходимости создавать элементы с различным ТКЕ – положительным или отрицательным, или даже нулевым. Емкость таких конденсаторов не зависит от температуры.

Диэлектрик из керамики применяют в SMD-конденсаторах, имеющих в настоящее время широкое распространение.

Слюдяные

Конденсаторы, в которых в качестве диэлектрика применена слюда, имеют хорошую температурную стабильность, хорошую работу на высоких частотах и способны выдерживать большую реактивную мощность. К минусам относят габариты и высокую стоимость.

Пленочные

В этих электронных компонентах в качестве диэлектрика-сепаратора используется полимерная пленка. Такие конденсаторы характеризуются низким ТКЕ, неплохой удельной индуктивностью и возможностью работы при высоких напряжениях между обкладками. Но частотные свойства все же хуже, чем, например, у керамических.

Масляные

В подобных элементах обкладки разделяет бумага, пропитанная маслом. Область использования таких конденсаторов – пусковые цепи электродвигателей и другие области применения в низкочастотных цепях и цепях постоянного тока.

Конденсаторы переменной емкости

Емкость этих электронных компонентов можно, при необходимости, изменять. Например, при наладке схемы или оперативно – для изменения настройки резонансных цепей (гетеродин приемника, его входные цепи в зависимости от необходимой принимаемой частоты и т.п.). Принцип действия такого элемента базируется на изменении взаимного положения обкладок – меняя их площадь перекрытия, можно изменять емкость.

Компоненты, относящиеся к первой группе, называются подстроечными. Они рассчитаны на настройку с помощью отвертки. По завершению наладки доступ к ним не требуется.

Емкость переменного конденсатора (бывает с воздушным или твердым диэлектриком) меняется во время работы устройства, поэтому они оснащены длинной осью, которая выводится под рукоятку на передней панели прибора.

Обозначение конденсаторов на схеме

На схеме конденсатор узнать легко – его символ содержит две обкладки, расположенные на расстоянии. Конденсатор переменной емкости имеет дополнительный элемент, указывающий на возможность настройки. Полярный конденсатор имеет обозначение положительного вывода в виде знака «+» или изогнутой обкладки.

Буквенное обозначение рассматриваемого компонента — С (от слова capacity). Обычно конденсаторов на схеме несколько, тогда к литере добавляется порядковый номер – С1, С2 и т.п.

Маркировка

На корпусе конденсатор указывается его ёмкость в дольных единицах от фарада, а в некоторых случаях – и рабочее напряжение (например, для оксидных или слюдяных элементов).

Емкость иногда указывается в явном виде – номинал плюс единица измерения (это относится, например, к оксидным конденсаторам). Но так бывает не всегда. Принято, что:

• если единица не обозначена, то емкость указана в пикофарадах;
• для других дольных единиц множитель указывается в виде буквы (n- для нанофарад, μ – для микрофарад и т.д.);

Если емкость дробная, то буквенный символ выполняет функцию десятичной точки.

Для конденсаторов, чья емкость лежит в диапазоне от единиц пикофарад до единиц микрофарад часто используют маркировку из трех цифровых символов:

• первые две обозначают номинал в пикофарадах;
• третья цифра – множитель.

Иными словами, к первым двум цифрам надо приписать такое количество нулей, сколько единиц содержит третья цифра. Так, на рисунке на корпус элемента нанесены цифры 473, что означает 47000 пФ, или, что удобнее для восприятия, 0,047 мкФ.

Рекомендуем статью: Способы соединения конденсаторов

Читайте также

Как рассчитывается электроемкость конденсатора

 

Как проверить на работоспособность

Самый простой способ проверки конденсатора – обычным стрелочным мультиметром в режиме измерения сопротивления. При подключении щупов тестера к испытуемому элементу стрелка мультиметра резко отклонится от нуля вправо (из-за броска тока на заряд), а потом плавно вернется к нулю – ведь конденсатор не проводит постоянный ток. Если стрелка к нулю не вернется, значит элемент имеет повышенный ток утечки.

При необходимости надо соблюдать полярность подключения. Перед повторной проверкой (в случае сомнений) элемент надо разрядить.

У этого способа есть ограничение. Так проверять можно только конденсаторы большой емкости (от 0,1 мкФ и выше). У элемента с меньшей емкостью бросок тока на заряд будет слишком маленьким, чтобы вызвать отклонение стрелки. К тому же этот метод малопригоден для проверки с помощью современных цифровых тестеров. Их инерционность не позволяет засечь кратковременный бросок тока.

Лучше использовать тестер с режимом измерения емкости. Результат замеров должен соответствовать маркировке, нанесенной на корпус элемента (с учетом погрешности). Но этот способ тоже имеет ограничения – мультиметры обычно могут работать с емкостями не менее 1000 пФ.

Самый лучший способ проверки конденсатора – специализированный тестер. Он работает с большим диапазоном ёмкостей и может выдать данные о потерях и величине тока утечки.

Хотя конденсатор является пассивным элементом, его поведение в схемах сложнее для анализа, чем, например, у резистора. В связи с этим знание теоретической части для правильного применения данных компонентов не менее важно, чем практические навыки.