Первый конденсатор. Что такое конденсатор

В повседневной жизни каждый человек пользуется преобразователями напряжения, адаптерами и блоками питания. Но, мало кто задумывается, что главную функцию в перечисленных устройствах выполняют конденсаторы. Его в народе еще называют «электролитами». Их главной особенностью являются небольшие габариты и способность накапливать заряд до уровня своей емкости.

В области радиотехники и электрики конденсатором электролитическим называют элемент с оболочкой диэлектрика, сделанной из оксида металла, называемым анодом, и внутренней емкостью для накопления заряда, называемой катодом. За счет такого свойства они имеют широкое применение в электротехнических приборах и радиоустройствах. Конденсаторы присутствуют в схемах радиоприемников, телевизоров, стиральных машин, кондиционеров, компьютерной техники и во многих других приборах.

История появления и развития

В 1875 году ученый из Франции Eugène Adrien Ducretet открыл электрохимический процесс в некоторых металлах. Образцами исследования стали тантал, ниобий, цинк, титан, кадмий, алюминий, сурьма и другие. Указанные образцы употреблялись в виде анода (положительного полюса средства питания). Под действием электрического поля на их поверхностями появлялся слой оксида, имеющий вентильные характеристики.

В 1896 году ученый Карол Поллак направил в бюро по выдаче патентов заявку на придумывание конденсатора. Он доказал собственным элементом, что электрохимические процессы должны обладать определенной полярностью на границе металла с диэлектриком для формирования оксидного образования. Несоблюдение такой полярности приводит к диэлектрическим потерям и короткому замыканию.

В России длительное время считалось изготовление электролитических конденсаторов экономически не выгодным. Хотя в научных изданиях было много доводов, какие можно применить технологии для наладки производства. Первые серьезные наработки в вопросе выпуска электролитических конденсаторов появились в нашем государстве в 1931 году. Их емкость была заполнена жидким электролитом. Сегодня производство данных элементов поставлено на широкий поток. Изготовлением электролитических конденсаторов занимаются многие фирмы с мировым именем.

Варианты конденсаторов по применению

Как известно из школьной программы физики, конденсаторы – это полярные приспособления. Они начинают функционировать при направлении тока в одном направлении. Поэтому на практике их включают в схемы с цепями неизменного или пульсирующего напряжения.

Применение в цепях неизменного напряжения

Свойства конденсатора такой конструкции используют:

1. для накопления электрической энергии в импульсных генераторах, импульсных источниках света, а также для намагничивания магнитотвердых элементов в процессе физических опытов;
2. для поднятия тока до определенной отметки в сварочных агрегатах, рентгеновских установках и приборах для копирования;
3. для точной работы схем аналоговой памяти или аналоговой развертки;
4. для образования инструмента питания в электронных приборах и электрических приводах.

В цепях неизменного напряжения с пульсирующим наложением

Характеристики конденсаторов в цепях постоянного напряжения с пульсирующим наложением применяют:

1. для создания полосовых фильтрующих участков совместно с резисторами и катушками индуктивности;
2. для шунтирования элементов схемы электронного типа по меняющемуся току;
3. для соединения участков цепи по переменному току с элементами, функционирующими на постоянной составляющей;
4. для генерации пилообразного и прямоугольного напряжения в схемах релаксационного типа генератора;
5. для выпрямления напряжения в выпрямителях.

Назначение в схемах изменяемого напряжения

Для схем переменного тока производителями конденсаторов созданы элементы, имеющие неполярную емкость. В своей конструкции они имеют дополнительные элементы и увеличенные габариты. Они бывают разной ёмкости, наполненной концентрированными щелочными веществами и кислотами.

Они применяются:

1. Для подъема качества электрической энергии и увеличения коэффициента мощности. Например, алюминиевые электролитические конденсаторы снижают уровень реактивной составляющей, что повышает коэффициент мощности до 0,999;
2. В инверторных схемах и устройствах с выпрямителями на тиристорах для уменьшения влияния магнитных полей;
3. Для улучшения пусковой способности двигателя асинхронного типа. Практически все пусковые схемы однофазных электродвигателей содержат конденсаторы.

По способу заполнения переменный конденсатор делится на виды:

• с жидкостным диэлектриком;
• с сухим наполнением;
• с оксидными полупроводниковыми параметрами конденсаторов;
• оксидно-металлического исполнения.

Анод электролитических конденсаторов изготавливается из фольги алюминия, ниобия или тантала. Конденсатор с переменной емкостью оксидно-полупроводникового вида имеет катод в виде шара полупроводника, нанесенного на оксидный слой.

Конструкция конденсаторов

Разного типа и размеров конденсаторы сделаны из двух элементов – это обкладки и емкость (расстояние между обложками), заполненное диэлектрическим веществом. Емкость считается по формуле:

C = ee0S/d, где:

• S – значение площади обкладки;
• d – значение расстояния между пластинками;
• e0 –электрическая составляющая, устанавливающая напряженность электрического поля вакуумного пространства;
• е – диэлектрическая проницаемость.

Особенность электролитических конденсаторов заключается в том, что они содержат слой электролитического вещества между двумя обложками из фольги, где одна из них покрыта пленкой полупроводникового оксида. Такие электролиты имеют внутри обкладки, сложены вместе с разделяющим бумажным слоем, пропитанным электролитом. От ее толщины зависит емкость конденсатора. Верхний шар покрыт также разделительным бумажным слоем. Все в комплекте свернуто «в трубочку» и находится в металлическом корпусе.

По краям фольги припаяны металлические пластинки в виде контактов. Они предназначены для соединения с другими элементами схемы. Причем вывод с положительным потенциалом покрыт оксидным шаром. Функцию катода выполняет слой электролита, соединенный со второй обкладкой.

С помощью электрохимической коррозии поверхности обкладки (рифление) в процессе изготовления увеличивают площадь обкладки. С помощью такой технологии создаются конденсаторы большой емкости.

Обычно рассматриваемый элемент безаварийно функционирует при нормальной температуре и неискаженном напряжении. Например, при увеличении напряжения выше нормы происходит образование нового слоя оксидов, сопровождаемое выделением тепла и газообразованием. В результате давление в корпусе резко возрастает, и его прочность не в силах справиться с такой ёмкостью. Это может привести к взрыву и разрушению других элементов цепи.

Многие фирмы изготавливают конденсаторы с защитной мембраной. Она разламывается под действием образования газов и блокирует взрыв. Маркировка таких конденсаторов заключается в нанесении насечки в виде буквы «Т», «Y» или знака «+».

Дешифрование цифр и букв на поверхности изделия

Для правильной расшифровки обозначений на корпусе разных элементов требуется знать единицы измерения. Для конденсаторов следует запомнить, что емкость измеряется в фарадах (Ф). Она имеет такие соотношения:

• 1мкФ (микрофарад)F=10¯⁶F;
• 1мФ (миллифарад)F=10¯³F;
• n(нанофарад)F=10¯⁹;
• p(пикофарад)F=10¯¹²F.

Маркировка конденсаторов больших параметров указывается прямо на корпусе элемента. В некоторых конструкциях надписи имеют разные обозначения. В таких случаях лучше ориентироваться по значениям, указанным выше.

На некоторых модификациях маркировка нанесена заглавными буквами. Например, вместо 1мФ стоит МF. Также можно встретить, что маркировка содержит набор букв fd, что означает фарад. Кроме этого в шифре содержится информация, допускающая отклонение от номинала в процентном соотношении. Например, если маркировка содержит 6000uF + 50%-70%, то следует понимать, что это отличается от заданного номинала на 50%-70%. То есть можно применять конденсатор на 9000uF или на 1800uF. Если проценты отсутствуют, то требуется найти букву. Обычно она выглядит отдельным от емкости обозначением. Каждая буква допускает отклонение от номинала.

После определения номинала и разрешенной погрешности нужно перейти к определению значения напряжения. Оно обозначается цифрами совместно с буквами, такими как V, VDC, WV или VDCW. Обозначение WV означает рабочее напряжение. Цифры указывают на максимальные разрешенные допуски.

Важно знать! Если на поверхности нет значения, указывающего номинал напряжения, то такие конденсаторы можно применять в низковольтных цепях схемы. Также нужно запомнить, что конденсаторы, работающие на переменном напряжении, нельзя использовать в схемах постоянного напряжения, и наоборот.

Для определения полярности выводов на корпусе нанесены знаки «+» и «–». Если их нет, то конденсатор подключается в цепь любой стороной.

Цифровая расшифровка

Цифры на корпусе имеют собственную расшифровку. Когда указаны только две цифры и одна буква, то сочетание цифр указывают на емкость. Все остальные кодировки нужно понимать с нестандартным подходом. Они в основном зависят от конструкции элемента.

Третья цифра является множителем нуля. Поэтому расшифровка выполняется по конечной цифре. Если она находится в пределе от 0 и до 6, то к первым цифрам прибавляются нули в числе указанной третьей цифры. Например, 373 означает 37000.

Когда последняя цифра выходит за предел 0-6, например, стоит 8, то первая цифра должна умножиться на 0,01. Таким образом, шифр 378 обозначает 0,37. Когда в конце стоит цифра 9, то сочетание первых двух цифр умножается на 0,1. Обозначение 379 нужно читать как 3,7.

Когда из сочетания цифр с емкостью все понятно, то нужно знать единицу измерения.

Важно помнить! Маленькие конденсаторы измеряются в пикофарадах, а большие элементы – в микрофарадах.

Буквенная кодировка

Букву R в первых двух символах следует понимать под обозначением запятой, применяемой в обозначении десятичной дроби. Например, шифр 4R1 читается как 4,1 пФ. Если в маркировке содержаться буквы p, n или u, то их тоже следует менять на запятую. Например, n61 означает 0,61 нано фарад.

Смешанная маркировка

В такой код на корпусе конденсатора входят буквы и цифры, чередуя друг друга. Обычно это наносится по схеме «буква – цифра – буква». Первая буква указывает на рабочую температуру надежного состояния конденсатора. Вторая цифра – это предел допустимой температуры.

Третья буква означает изменение емкости в пределе от минимальной температуры и до максимальной допустимой температуры. Если стоит буква «А», то это точный показатель. Его погрешность равна 0,1%. При наличии буквы «V» показатель емкости колеблется в пределе 22%-82%. Очень часто встречаются конденсаторы с буквой «R», что означает 15% отклонения емкости от изменения температуры.

Изменение параметров в процессе эксплуатации

Чтобы понимать, какие хорошие конденсаторы, а какие нет, нужно знать общие характеристики, и помнить, как параметры зависят друг от друга. Например, способность в рабочем режиме кпе выделять газы требует при монтаже схемы создавать запас допустимого напряжения в пределе 0,5-0,6 его значения. Особенно это важно, когда схема функционирует в среде с повышенным температурным режимом.

С использованием конденсатора в цепях меняющегося тока обязательно учитывается зависимость от рабочей частоты. Обычно рабочая частота меняющегося напряжения не должна отклоняться от 50 Гц. Для более высоких частот нужно включать конденсаторы с более низким допустимым напряжением. В обратном случае будет появляться сильный нагрев диэлектрика, что приведет к разрыву корпуса.

Элементы с большой емкостью и малыми значениями токов утечки способны длительно сохранять заряд. Поэтому важно для безопасности параллельно подключать резистивный элемент с сопротивлением не меньше 1 Мом и мощностью 0,5 Вт.

Электрические конденсаторы служат для накопления электрической энергии. Без них не будет функционировать ни одна схема радио,- и телевизионного приемника. Появление микросхем изменила функцию конденсаторов. Многие из них изготавливаются в интегрированном виде.

Видео

Конденсатор – распространенное двухполюсное устройство, применяемое в различных электрических цепях. Он имеет постоянную или переменную ёмкость и отличается малой проводимостью, он способен накапливать в себе заряд электрического тока и передавать его другим элементам в электроцепи.
Простейшие примеры состоят из двух пластинчатых электродов, разделенных диэлектриком и накапливающих противоположные заряды. В практических условиях мы используем конденсаторы с большим числом разделенных диэлектриком пластин.

Заряд конденсатора начинается при подключении электронного прибора к сети. В момент подключения прибора на электродах конденсатора много свободного места, потому электрический ток , поступающий в цепь, имеет наибольшую величину. По мере заполнения, электроток будет уменьшаться и полностью пропадет, когда ёмкость устройства будет полностью наполнена.

В процессе получения заряда электрического тока, на одной пластине собираются электроны (частицы с отрицательным зарядом), а на другой – ионы (частицы с положительным зарядом). Разделителем между положительно и отрицательно заряженными частицами выступает диэлектрик, в качестве которого могут использоваться различные материалы.

В момент подключения электрического устройства к источнику питания, напряжение в электрической цепи имеет нулевое значение. По мере заполнения ёмкостей напряжение в цепи увеличивается и достигает величины, равной уровню на источнике тока.

При отключении электрической цепи от источника питания и подключении нагрузки, конденсатор перестает получать заряд и отдает накопленный ток другим элементам. Нагрузка образует цепь между его пластинами, потому в момент отключения питания положительно заряженные частицы начнут двигаться по направлению к ионам.

Начальный ток в цепи при подключении нагрузки будет равняться напряжению на отрицательно заряженных частицах, разделенному на величину сопротивления нагрузки. При отсутствии питания конденсатор начнет терять заряд и по мере убывания заряда в ёмкостях, в цепи будет снижаться уровень напряжения и величины тока. Этот процесс завершится только тогда, когда в устройстве не останется заряда.

На рисунке выше представлена конструкция бумажного конденсатора:
а) намотка секции;
б) само устройство.
На этой картинке:

1. Бумага;
2. Фольга;
3. Изолятор из стекла;
4. Крышка;
5. Корпус;
6. Прокладка из картона;
7. Оберточная бумага;
8. Секции.

Ёмкость конденсатора считается важнейшей его характеристикой, от него напрямую зависит время полной зарядки устройства при подключении прибора к источнику электрического тока. Время разрядки прибора также зависит от ёмкости, а также от величины нагрузки. Чем выше будет сопротивление R, тем быстрее будет опустошаться ёмкость конденсатора.

В качестве примера работы конденсатора можно рассмотреть функционирование аналогового передатчика или радиоприемника. При подключении прибора к сети, конденсаторы, подключенные к катушке индуктивности, начнут накапливать заряд, на одних пластинах будут собираться электроды, а на других – ионы. После полной зарядки ёмкости устройство начнет разряжаться. Полная потеря заряда приведет к началу зарядки, но уже в обратном направлении, то есть, пластины имевшие положительный заряд в этот раз будут получать отрицательный заряд и наоборот.

Назначение и использование конденсаторов

В настоящее время их используют практически во всех радиотехнических и различных электронных схемах.
В электроцепи переменного тока они могут выступать в качестве ёмкостного сопротивления. К примеру, при подключении конденсатора и лампочки к батарейке (постоянный ток), лампочка светиться не будет. Если же подключить такую цепь к источнику переменного тока, лампочка будет светиться, причем интенсивность света будет напрямую зависеть от величины ёмкости используемого конденсатора. Благодаря этим особенностям, они сегодня повсеместно применяются в цепях в качестве фильтров, подавляющих высокочастотные и низкочастотные помехи.

Конденсаторы также используются в различных электромагнитных ускорителях, фотовспышках и лазерах, благодаря способности накапливать большой электрический заряд и быстро передавать его другим элементам сети с низким сопротивлением, за счет чего создается мощный импульс.

Во вторичных источниках электрического питания их применяют для сглаживания пульсаций при выпрямлении напряжения.

Способность сохранять заряд длительное время дает возможность использовать их для хранения информации.

Использование резистора или генератора тока в цепи с конденсатором позволяет увеличить время заряда и разряда ёмкости устройства, благодаря чему эти схемы можно использовать для создания времязадающих цепей, не предъявляющих высоких требований к временной стабильности.

В различной электрической технике и в фильтрах высших гармоник данный элемент применяется для компенсации реактивной мощности.

Конденсатор встречается в наборах Мастер Кит (да и вообще в электронных устройствах) почти так же часто, как и резистор. Поэтому важно хотя бы в общих чертах представлять его основные характеристики и принцип работы.

Принцип работы конденсатора

В простейшем варианте конструкция состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. Чем больше отношение площади пластин к толщине диэлектрика – тем выше ёмкость конденсатора. Чтобы избежать физического увеличения размеров конденсатора до огромных размеров, конденсаторы изготавливают многослойными: например, сворачивают ленты пластин и диэлектриков в рулон.
Так как любой конденсатор имеет диэлектрик, то он не способен проводить постоянный ток, но он может сохранять электрический заряд, приложенный к его обкладкам, и в нужный момент отдавать его. Это важное свойство

Давайте договоримся: радиодеталь мы называем конденсатором, а его физическую величину – ёмкостью. То есть правильно сказать так: «конденсатор имеет ёмкость 1 мкФ», но некорректно сказать: «замени на плате вон ту ёмкость». Вас, конечно, поймут, но лучше соблюдать «правила хорошего тона».

Электрическая ёмкость конденсатора – это главный его параметр
Чем больше ёмкость конденсатора, тем больший заряд он может сохранить. Электрическая ёмкость конденсатора измеряется в Фарадах, обозначается F.
1 Фарад - очень большая ёмкость (земной шар имеет ёмкость менее 1Ф), поэтому для обозначения ёмкости в радиолюбительской практике используются следующие основные размерные величины - префиксы: µ (микро), n (нано) и p (пико):
1 микроФарад - 10-6 (одна миллионная часть), т.е. 1000000µF = 1F
1 наноФарад - 10-9 (одна миллиардная часть), т.е. 1000nF = 1µF
p (пико) - 10-12 (одна триллионная часть), т.е. 1000pF = 1nF

Как и Ом, Фарад – это фамилия физика. Поэтому, как культурные люди, пишем прописную букву «Ф»: 10 пФ, 33 нФ, 470 мкФ.

Номинальное напряжение конденсатора
Расстояние между пластинами конденсатора (особенно конденсатора большой ёмкости) очень мало, и достигает единиц микрометра. Если приложить к обкладкам конденсатора слишком высокое напряжение, слой диэлектрика может быть нарушен. Поэтому каждый конденсатор имеет такой параметр, как номинальное напряжение. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Но лучше, когда номинальное напряжение конденсатора несколько выше напряжения в схеме. То есть, например, в схеме с напряжением 16В могут работать конденсаторы с номинальным напряжением 16В (в крайнем случае), 25В, 50В и выше. Но нельзя ставить в эту схему конденсатор с номинальным напряжением 10В. Конденсатор может выйти из строя, причём часто это происходит с неприятным хлопком и выбросом едкого дыма.
Как правило, в радиолюбительских конструкциях для начинающих не используется напряжение питания выше 12В, а современные конденсаторы чаще всего имеют номинальное напряжение 16В и выше. Но помнить о номинальном напряжении конденсатора очень важно.

Типы конденсаторов
О разнообразных конденсаторах можно написать много томов. Впрочем, это уже сделали некоторые другие авторы, поэтому я расскажу только самое необходимое: конденсаторы бывают неполярные и полярные (электролитические).

Неполярные конденсаторы
Неполярные конденсаторы (в зависимости от типа диэлектрика подразделяются на бумажные, керамические, слюдяные…) могут устанавливаться в схему как угодно – в этом они похожи на резисторы.
Как правило, неполярные конденсаторы имеют относительно небольшую ёмкость: до 1 мкФ.

Маркировка неполярных конденсаторов
На корпус конденсатора нанесён код из трёх цифр. Первые две цифры определяют значение ёмкости в пикофарадах (пФ), а третья – количество нулей. Так, на изображённом ниже рисунке на конденсатор нанесён код 103. Определим его ёмкость:
10 пФ + (3 нуля) = 10000 пФ = 10 нФ = 0,01 мкФ.

Конденсаторы ёмкостью до 10 пФ маркируются по-особенному: символ «R» в их кодировке обозначает запятую. Теперь Вы можете определить ёмкость любого конденсатора. Приведённая ниже табличка поможет Вам проверить себя.

Как правило, в радиолюбительских конструкциях допустима замена некоторых конденсаторов на близкие по номиналу. Например, вместо конденсатора 15 нФ набор может комплектоваться конденсатором 10 нФ или 22 нФ, и это не отразится на работе готовой конструкции.
Керамические конденсаторы не имеют полярности и могут устанавливаться в любом положении выводов.
Некоторые мультиметры (кроме самых бюджетных) имеют функцию измерения ёмкости конденсаторов, и Вы можете воспользоваться этим способом.

Полярные (электролитические) конденсаторы
Есть два способа увеличения ёмкости конденсатора: либо увеличивать размер его пластин, либо уменьшать толщину диэлектрика.
Чтобы минимизировать толщину диэлектрика, в конденсаторах большой ёмкости (выше нескольких микрофарад) применяется специальный диэлектрик в виде оксидной плёнки. Этот диэлектрик нормально работает только при условии правильно приложенного напряжения на обкладках конденсатора. Если перепутать полярность напряжения, электролитический конденсатор может выйти из строя. Метка полярности всегда маркируется на корпусе конденсатора. Это может быть либо значок «+», но чаще всего в современных конденсаторах полосой на корпусе маркируется вывод «минус». Другой, вспомогательный способ определения полярности: плюсовой вывод конденсатора длиннее, но ориентироваться на этот признак можно только до того, как выводы радиодетали обрезаны.
На печатной плате также присутствует метка полярности (как правило, значок «+»). Поэтому при установке электролитического конденсатора обязательно совмещайте метки полярности и на детали, и на печатной плате.
Как правило, в радиолюбительских конструкциях допустима замена некоторых конденсаторов на близкие по номиналу. Также допустима замена конденсатора на аналогичный с бОльшим значением допустимого рабочего напряжения. Например, вместо конденсатора 330 мкФ 25В набор можно применить конденсатор 470 мкФ 50В, и это не отразится на работе готовой конструкции.

Внешний вид электролитического конденсатора (правильно установленный на плату конденсатор)

По другой версии (как известно правдоподобность исторических фактов очень частот достаточно сложно доказать) Мушенбрук специально пытался «зарядить» воду в банке. В то время ученые и исследователи еще считали, что электричество – это некая жидкость, которая находится в любом заряженном теле или предмете. Так вот, ученый специально опустил электрод электрической машины в воду, а затем взяв одной рукой банку, а другой случайно прикоснувшись к электроду он опять таки ощутил мощнейший удар током . А поскольку опыт проводился в городе Лейдене, то эту банку – прототип конденсатора, стали называть Лейденской банкой.

Есть и еще одна версия происшедшего события. Примерно в то же время – в 1745 году настоятель собора в Померании – немецкий священнослужитель Эвальд Юген фон Клейст пытался провести научный опыт с целью «зарядить» святую воду электричеством и сделать ее тем самым еще более полезной. Он также использовал электрическую машину, которые в то время были достаточно популярными. Правда, он не опускал в банку сам электрод, а использовал в качестве проводника металлический гвоздь. Случайно дотронувшись потом до гвоздя от также ощутил всю силу электричества.

В таком виде конденсатор просуществовал следующие 200 лет . Ученые и исследователи его немного доработали – банку изнутри и снаружи покрыли металлом, а воду убрали, и использовали ее для различных опытов в области изучения электричества.

Кстати слово «емкость», которое сейчас используется для обозначения номинала современных конденсаторов – это дань прошлому. Ведь изначально этот элемент был стеклянным сосудом (банкой), который имел некий объем или емкость. Кстати, Лейденские банки были разных объемов и чем больше, тем больше по площади электроды покрывали их изнутри и снаружи. , как известно, даже из школьного курса физики – чем больше по площади электроды конденсатора, тем больше его емкость.