Как течет ток через конденсатор

13

Почему постоянный ток не проходит через конденсатор?

Конденсаторы — это приборы, накапливающие электрическую энергию в виде зарядов. Аппараты не могут пропускать через себя постоянный ток. Будучи включёнными в цепь с переменным током, он уподобляется пружине, подвергающейся внешнему воздействию. Примечательно, что они не будет пропускать и ток, однако при его прохождении случится перезарядка накопителя, из-за чего покажется, что он проходит через обкладки. Если к ним в разряженном состоянии приложить постоянное напряжение, то по цепи пойдет ток, который снижается по мере зарядки накопителя. Когда достигается паритет значений напряжения на источнике питания и пластинах, он прекращает протекать, что приводит к разрыву.

Почему идет переменный ток через конденсатор

Конденсатор — это разрыв, поскольку его прокладки не касаются друг друга из-за нахождения между ними диэлектрика, не проводящего постоянный электроток. Однако будучи подключённым к постоянной цепи, он всё же может его проводить в момент подсоединения, поскольку происходит зарядка или перезарядка.

Когда завершается переходный процесс, ток перестаёт проходить через пассивный электронный компонент из-за разделения его обкладок диэлектриком. Будучи подключённым к такой цепи он проводит его колебания вследствие циклической перезарядки. Здесь прибор входит в колебательный контур и вместе с катушкой выполняет функцию накопителя энергии.

Такой симбиоз способствует преобразованию электричества в магнитную энергию или, наоборот, с равной их собственной частотной скоростью, которая рассчитывается по формуле: omega = 1 / sqrt(C × L).

Почему идёт переменный ток

Действительность такова, что конденсатор не способен пропускать через себя переменный ток. Сначала он его аккумулирует на обкладках. Возникает ситуация, в которой на одной из них имеет место переизбыток электронов, а на другой их, напротив, мало. В результате конденсатор отдаёт эти заряды, из-за чего электроны, находящиеся во внешней цепи, перемещаются в одну и в другую сторону от одной обкладки к другой.

К сведению! Результат выражается в том, что электроны перемещаются внутри внешней цепи, но не в самом пассивном компоненте. Энергия перераспределяется внутри поля между конденсаторными пластинками, что называют токами смещения, отличающимися от электротоков проводимости.

Конденсатор в цепях электрического тока

Итак, мы приблизительно поняли, что такое конденсатор, но как работает сей элемент, еще толком не разобрали.

Цепь постоянного тока

Если говорить простыми словами, то конденсатор, или «кондер», как его называют в народе – это небольшой элемент, который словно аккумулятор способен накапливать в себе некий заряд, который он готов разрядить за считанные доли секунды

Интересно знать! В отличие от аккумулятора в конденсаторе отсутствует источник ЭДС.

Чтобы кондеру разрядиться, ему нужно замкнуть контакты напрямую, либо через цепь. Вроде бы все ясно, но как происходит течение тока в конденсаторе при подключении его в сеть.

• Начнем с постоянного тока, и проведем один небольшой опыт. Для этого нам понадобятся сам конденсатор, источник постоянного тока на 12 Вольт и лампочка с проводами, тоже на 12 Вольт.

Все элементы собраны в цепь

• Подключаем все это вместе, как показано на фото выше, и видим, что ничего не происходит – лампочка не горит.

Подключение в обход конденсатора

• Меняем положение «крокодила» так, чтобы пустить ток в обход конденсатора. И, о чудо! Лампочка загорелась! Почему же так происходит?
• Все просто, достаточно помнить, что ток через конденсатор протекает, только когда он заряжается и разряжается, причем напряжение всегда будет отставать от тока.
• Разряженный конденсатор сродни короткому замыканию в цепи – при его подключении к источнику напряжения, в первый момент времени напряжения в нем нет, но зато имеется ток, который в этот момент времени является максимальным (вот вам и отставание).
• Ток течет через конденсатор, и тот начинает накапливать заряд, увеличивая свое внутреннее напряжение до тех пор, пока оно не сравняется с напряжением источника питания и кондер не заполнит всю свою емкость.
• В этот момент времени ток перестает течь, а так как конденсатор не может разрядиться, то, соответственно, и лампочка гореть не будет.
• Сравнить этот процесс можно с водяной системой в виде сообщающегося сосуда, разделенного заслонкой, при том, что одна часть пустая, а вторая полная. Уберите препятствие, и вода потечет во второй сосуд, пока давления не выровняются, то есть напор не спадет до нуля.
• А что было бы, если бы конденсатор отсоединился от цепи и закоротился? Да все то же самое! В первый момент времени ток будет максимальным при неизменном напряжении. Ток побежит вперед, а напряжение вслед за ним, пока весь заряд не уйдет.
• Снова в качестве примера берем водяную систему, состоящую из полного бачка, который будет играть роль конденсатора, и краника на нем, через который можно осуществить слив воды. Открывает кран и видим, что вода тут же потекла, при этом давление (напряжение) будет падать плавно, по мере опустошения емкости.

Эти же закономерности характерны и для синусоидального тока, о чем мы сейчас и поговорим.

Где и зачем применяются конденсаторы

Где и почему используются эти приборы, которые могут работать в радиотехнических, электронных и электротехнических устройствах? Накопители используются в электротехнике при включении асинхронных моторов для сдвига фаз, без чего двигатель в составе однофазной цепи не будет функционировать. Если ёмкость составляет несколько фарад, то их применяют в электромобилях для питания мотора.

Применение возможно в разных сферах

Правильное использование этих приборов позволит получить лучший результат. Понимание основных принципов физики упрощает эксплуатацию оборудования. Неправильное применение чревато негативными последствиями, вызванными несоблюдением техники безопасности.

Принцип работы конденсатора

Подключение прибора к постоянному источнику приводит к тому, что в начальный момент происходит аккумуляция в обкладках из-за электростатической индукции, а сопротивление в этот момент приравнивается нулю. Электрическая индукция провоцирует поле к притяжению разноимённых зарядов на разные обкладки, расположенные друг напротив друга.

Вам это будет интересно Электрогенератор Николы Тесла

Такое свойство получило название ёмкость, которая характерна для всех типов материалов, в том числе и диэлектриков, однако в случае с проводниками она существенно больше. Именно поэтому обкладки изготавливаются из проводника. Увеличение ёмкости способствует накоплению большего количества зарядок на обкладках.

Важно! Когда аккумулируются заряды, происходят ослабление поля и наращивание двухполюсника.

Принцип работы

Происходит это из-за уменьшения места в обкладках, воздействия одноимённых зарядов друг на друга. Одновременно с этим напряжение приравнивается к источнику тока. Прекращение электричества в цепи происходит после того, когда обкладки полностью заполнятся электричеством. Из-за этого пропадает индукция и остаётся только поле, удерживающее и не пропускающее заряды.

Диэлектрик между обкладками

Электротоку будет некуда деться, а на двухполюснике напряжение приравнивается к ЭДС. Когда ЭДС повышается, поле сильнее воздействует на диэлектрик из-за отсутствия места в обкладках. Если внутреннее конденсаторное напряжение будет выше предельных значений, тогда пробьёт диэлектрик.

Конденсатор преобразуется в проводник, и происходит освобождение зарядов, из-за чего электроток начинает идти. Чтобы применять двухполюсник при высоком напряжении повышают размер диэлектрика и наращивают расстояние, имеющееся между обкладками на фоне снижения ёмкости. Диэлектрик располагается между обкладками и не даёт проходить постоянному, выполняя в отношении него барьерную функцию.

Электрическая индукция

Обратите внимание! Именно постоянное напряжение способно формировать электростатическую индукцию, но только в случае замыкания в момент зарядки конденсатора. Благодаря этому механизму сохраняется энергия до момента подсоединения к нему потребителю.

Конденсатор в цепи постоянного тока

Чтобы понять, как работает накопитель в цепи постоянного тока, надо добавить в схему лампочку, которая станет загораться только при зарядке, в процессе которой от электротока остаётся напряжение, как бы догоняющее его из-за плавного нарастания. Заряды электричества затрачивают какое-то время для перемещения к обкладкам, именно это и есть время зарядки, продолжительность которого определяется частотой и ёмкостью напряжения. Когда зарядка завершается, лампочка тухнет, и постоянный электроток перестаёт проходить через пассивный электронный компонент.

Конденсатор в цепи переменного тока

Если у источника изменить полярность, то это приведёт к разрядке конденсатора в цепи переменного тока и его повторной зарядке. Формируется постоянная электростатическая индукция при переменном. Всегда при изменении электричеством своего направления запускается механизм зарядки и разрядки, из-за чего он и пропускает переменный. Увеличение частоты приводит к снижению ёмкостного сопротивления двухполюсника.

Вам это будет интересно Самодельный ионистор

Конденсатор в постоянной цепи

Формулы вычисления тока в конденсаторе

Ёмкость конденсатора, включенного в цепь переменного тока, рассчитывается по формуле: C = q / U, где:

• С — ёмкость;
• q — заряд одной из пластин;
• U — напряжение внутри.

Ёмкость
Конденсаторы бывают разной формы, поэтому и их расчёт осуществляется по нескольким формулам:

• плоский — C = E × E0 × S / d;
• цилиндрический — С=2 π × E × E0 × l / ln(R2 / R1);
• сферический — C = 4 π ×E × E0 × R1 × R2 / R2 — R.

Обратите внимание! Сопротивление в переменной цепи, которое может оказывать резистор, включённый в электрическую цепь, вычислить нельзя, так как она считается бесконечно большим. Однако в данном случае, это можно сделать по формуле: Хс = 1 / 2πvC = 1 / wC.

Вам это будет интересно Все о бесперебойном питании

Напряжение конденсатора в цепи переменного тока вычисляется по следующей формуле: Wp = qd E / 2.

Напряжение рассчитывается по определенной формуле

Чтобы рассчитать напряжение на конденсаторе в цепи переменного тока, необходимо воспользоваться актуальными формулами.

Назначение и функции конденсаторов

Конденсатор играет огромную роль как в аналоговой, так и цифровой технике. Они бывают электролитическими и керамическими, и отличаются своими свойствами, но не общей концепцией. Примеры использования:

• Фильтрует высокочастотные помехи;
• Уменьшает и сглаживает пульсации;
• Разделяет сигнал на постоянные и переменные составляющие;
• Накапливает энергию;
• Может использоваться как источник опорного напряжения;
• Создает резонанс с катушкой индуктивности для усиления сигнала.

Примеры использования

В усилителях обычно используются для защиты сабвуферов, фильтрации питания, термостабилизации и разделение постоянной составляющей от переменной. А электролитические в автономных схемах с микроконтроллерами могут долго обеспечивать питание за счет большой емкости.

В данной схеме транзистор VT1 постоянно открыт, чтобы усиливать звук без искажений. Но если вход замнется или на него поступи постоянный ток, то транзистор откроется, перейдет в насыщение и перегреется. Чтобы этого не допустить, нужен конденсатор. С1 позволяет отделить постоянную оставляющую от переменной. Переменный сигнал легко проходит на базу транзистора, а постоянный сигнал не проходит.

С2 совместно с резистором R3 выполняет функцию термостабилизации. Когда усилитель работает, транзистор нагревается. Это может внести искажения в сигнал. Поэтому, резистор R3 помогает удержать рабочую точку при нагреве. Но когда транзистор холодный и стабилизации не требуется резистор может уменьшить мощность усилителя. Поэтому, в дело вступает С2. Он проводит через себя усиленный сигнал шунтируя резистор, тем самым, не снижая номинальную мощность схемы. Если его емкость будет ниже расчетной, он начнет вносить фазовые искажения в выходной сигнал.

Чтобы схема качественно работала, обязательно хорошее питание. Когда схема в пиковые значения потребляет больше тока, то это всегда сильная нагрузка на источник питания. С3 фильтрует помехи по питанию и помогает снизить нагрузку. Чем больше емкость — тем лучше звук, но до определенных значений, все зависит от схемы.

А в блоках питания используется тот же принцип, как и в предыдущей схеме по питанию, но здесь емкость нужна гораздо больше. На этой схеме емкость элеткролита может быть как 1000 мкФ, так и 10 000 мкФ.

Еще на диодный мост можно параллельно включить керамические конденсаторы, которые будут шунтировать схему от высокочастотных наводок и шума сети 220 В.

Принцип работы

Конденсатор может быть выполнен по-разному, но суть работы и основные его элементы остаются неизменными в любом случае. Чтобы понять принцип работы, необходимо рассмотреть самую простую его модель.

У простейшего устройства имеются две обкладки: одна из них заряжена положительно, другая — наоборот, отрицательно. Заряды эти хоть и противоположны, но равны. Они притягиваются с определенной силой, которая зависит от расстояния. Чем ближе друг к другу располагаются обкладки, тем больше между ними сила притяжения. Благодаря этому притяжению заряженное устройство не разряжается.

Однако достаточно проложить какой-либо проводник между двумя обкладками и устройство мгновенно разрядится. Все электроны от отрицательно заряженной обкладки сразу же перейдут на положительно заряженную, в результате чего заряд уравняется. Иными словами, чтобы снять заряд с конденсатора, необходимо лишь замкнуть две его обкладки.

Как течет ток через конденсатор

Определение конденсатора и основные соотношения

Название прибора конденсатора происходит от слова condensatio – накоплять, то есть он является накопителем электрической энергии. Физически конденсатор представляет собой две пластины из токопроводящего материала, разделенные диэлектриком. Накопление энергии происходит как раз в электрическом поле диэлектрика. При этом обкладки приобретают определенный электрический заряд. Емкость конденсатора C , то есть мера вмещения в себя электрической энергии, численно равна отношению заряда Q на одной из его обкладок к вызываемой этим зарядом разности потенциалов между обкладками, то есть напряжению на конденсаторе V:

Из этого соотношения следует, что заряд находящийся «внутри» конденсатора равен произведению его емкости и напряжения на нем:

Поскольку заряд равен произведению силы тока I на время t, то мы получаем важное на практике соотношение:

которое, перепишем для лучшего понимания в виде:

Это соотношение означает, что при протекании через него тока I за время Δt напряжение на конденсаторе емкости C изменяется на величину ΔV. Это соотношение часто используется при практических расчетах тех или иных режимов работы конденсатора. Если ток изменяется во времени и при этом необходим расчет с «физико-математической точностью» то используют соотношение связывающее напряжение на конденсаторе, его емкость и ток:

V(0) – напряжение на конденсаторе в начальный момент времени (как правило всегда равно нулю);

V(t) – напряжение на конденсаторе в любой момент времени t;

– интеграл от тока I(t) по времени. Физически этот интеграл есть изменение заряда на обкладках.

С – собственно емкость конденсатора.

Энергия конденсатора W_C определяется как половина произведения емкости на квадрат напряжения:

Можно ли «закачивая» заряды на обкладки повышать напряжение на конденсаторе до бесконечности. Нет, этого делать нельзя, поскольку в некоторый момент времени напряженность поля в диэлектрике в некоторый момент времени превысит некоторое максимальное значение, называемое пробивной напряженностью поля. Таким образом, кроме емкости конденсатор характеризуется еще и другим параметром – максимальным рабочим напряжением — V_max. Емкость и максимальное рабочее напряжение являются основными параметрами любого конденсатора, и они обычно указываются на его корпусе.

Единица измерения электрической емкости – Фарада. В честь британца Майкла Фарадея.

Условное обозначение конденсатора:

Рисунок C.1 — Условное обозначение конденсатора

Свойство конденсатора накапливать электрический заряд на обкладках определяют его функциональное назначение:

— в качестве накопителя энергии;

— в составе времязадающих RC-цепочек;

— в составе резонансных LC-контуров;

— в качестве фильтрующего элемента входных и выходных цепей источников питания;

— в составе интегрирующих RC-цепочек и дифференцирующих RC-цепочек;

— в качестве токоограничивающего элемента в цепях переменного тока;

— в емкостных делителях напряжения;

— в умножителях напряжения;

— в качестве элемента, обеспечивающего развязку по постоянному току;

— в цепях компенсации реактивной мощности.

Как конденсатор пропускает ток. Реактивное сопротивление. Максимальный ток через конденсатор

Переменный ток, протекающий через конденсатор можно считать различными способами. Первый и более фундаментальный способ заключается в том, что ток протекающий через конденсатор пропорционален скорости изменения напряжения на нем dV/dt и собственно емкости конденсатора С:

Из этого фундаментального соотношения следует формула для действующего (среднеквадратичного значения) значения синусоидального тока через конденсатор:

V_rms – среднеквадратичное (действующее) синусоидального напряжения;

ω – круговая частота — мало используемое понятие, численно равное 2πf;

f – частота синусоидального напряжения.

По аналогии с законом Ома I=V/R из вышележащего соотношения находят так называемое реактивное сопротивление конденсатора Z_C :

где реактивное сопротивление:

Реактивное сопротивление конденсатора определяется его емкостью и зависит от частоты. В ряде случаев по величине реактивного сопротивления рассчитывается ток, протекающий через конденсатор.

Рисунок С.2 — К вопросу, почему конденсатор не проводит постоянный ток и проводит переменный (:-))

Существует ли максимальный ток, который можно пропускать через конденсатор? Да. Для силовых конденсаторов существует такой параметр как максимальная реактивная мощность. Единица её измерения – вольт-ампер реактивный – ВАр, но так как конденсаторы силовые, то более распространена единица киловольт-ампер реактивный – кВАр (kvar – по международным обозначениям). Каждый тип силовых конденсаторов имеет максимальное значение проходящей через них реактивной мощности.

Максимальная реактивная мощность P_Z определяется аналогично тепловой мощности резистора (см. раздел «Резисторы»):

Максимальный ток , проходящий через конденсатор, (а точнее его среднеквадратичное значение), определяется его максимальной реактивной мощностью:

Физически это означает, что если мы знаем кВАр-ность конденсатора P_Z и его емкость C, то мы можем рассчитать его максимальный ток для каждого конкретного значения частоты f. Здесь I_{rms_max} – максимальное действующее значение тока, проходящего через конденсатор. Оно зависит от формы импульсов тока через конденсатор (формулы представлены в разделе «Резисторы»).

Паразитные параметры конденсатора. Тангенс угла диэлектрических потерь

На высоких частотах проявляются паразитные параметры конденсатора:

L – паразитная последовательная индуктивность. Распространённый международный термин — ESL (Equivalent Series Inductance);

R – паразитное последовательное сопротивление. Распространённый международный термин — ESR (Equivalent Series Resistance);

r – сопротивление утечки (Leakage Resistance).

Эквивалентная схема конденсатора представлена на рисунке C.3.

Рисунок C.3 — Эквивалентная схема конденсатора

Паразитная индуктивность L определяется конструкцией и габаритами конденсатора. Так, конденсаторы с ленточными обкладками, свернутыми в цилиндр имеют наибольшее значение индуктивности. Дисковые и SMD-конденсаторы – наименьшее. Индуктивность возрастает с увеличением габаритов конденсатора.

Последовательное сопротивление R определяется сопротивлением обкладок конденсатора. Конденсаторы с ленточными обкладками, как правило, имеют большее значение последовательного сопротивления по сравнению с дисковыми и SMD. В свою очередь конденсаторы с ленточными обкладками в виде фольги имеют меньшее последовательное сопротивление по сравнению с обкладками, полученными металлизацией. Сокращенное обозначение последовательного сопротивления – ESR. Этот параметр часто используется при расчете работы импульсных схем. В частности он оказывает существенное влияние на работу емкостных фильтров-накопителей.

Параллельное сопротивление r целиком определяется параметрами диэлектрика, находящегося между обкладками конденсатора. Оно определяет утечку или саморазряд конденсатора. Именно возможность использования в качестве межобкладочного материала различных типов диэлектриков и определяют многообразие типов конденсаторов.

Индуктивность L и последовательное сопротивление R оказывают существенное влияние при высоких частотах и при импульсных режимах работы. Параллельное сопротивление, определяет потери конденсатора на постоянном напряжении и низких частотах.

Понятие тангенса угла диэлектрических потерь tg δ пришло из классической электротехники в которой оперируют векторными диаграммами. В идеальном конденсаторе угол сдвига фаз между током и напряжением составляет 90% (при синусоидальной форме напряжения – ток максимален в момент, когда напряжение на конденсаторе равно нулю и равен нулю, когда конденсатор заряжается до максимального значения). Но в реальном конденсаторе по причине параллельного эквивалентного сопротивления r (сильное влияние на низких частотах) и последовательного эквивалентного сопротивления R (сильное влияние на высоких частотах) угол сдвига фаз между током и напряжением не добирает до 90° некоторыйугол δ – смотри упрощенные эквивалентные схемы, представленные на рисунке C.4. Таким образом, тангенса угла диэлектрических потерь – это некоторый интегральный параметр, характеризующий потери в конденсаторе. При этом он различается для высоких и для низких частот.

Для низких частот физически тангенс этого угла tg δ равен отношению резистивного тока I_rпроходящего через параллельное сопротивление потерь r к емкостному току I_C, проходящему собственно через емкость:

Для высоких частот более существенные потери вносит последовательное сопротивление. В этом случае тангенс этого угла tg δ равен отношению падения напряжения V_Rна последовательном сопротивлении R к падению напряжения на собственно на емкости V_C :

Рисунок C.4 – К пониманию тангенса угла потерь — эквивалентные схемы конденсатора (слева – характерные для низких частот, справа – характерные для высоких частот) и векторные диаграммы тока и напряжения

Поскольку в тангенс угла потерь входят емкостной ток и напряжение, то сравнение тангенса угла различных типов конденсаторов имеет смысл только при определенной равной частоте. Как правило, для большинства диэлектриков тангенс потерь измеряется на частоте 1 кГц, однако для высокочастотных диэлектриков (полипропилен, фторопласт, NPO) приводятся измерения на частотах 1 МГц и выше.

В более общем понимании, применимом к конденсатору в целом тангенс угла потерь определяет отношение между активной R_C и реактивной Z_C составляющими импеданса конденсатора [Керамические конденсаторы MLCC: особенности применения — http://www.compel.ru/lib/articles/keramicheskie-kondensatoryi-mlcc-osobennosti-primeneniya/]:

Рисунок C.5 – тангенс угла потерь конденсатора на различных частотах [DATASHEETSURFACE-MOUNT CERAMIC MULTILAYER CAPACITORS Introduction. YAGEO Phicomp. ProductSpecification – Dec 06, 2010 V.11]

Таким образом, в реальных конденсаторах понятие тангенса угла потерь имеет сложный характер (рисунок C.5) и определяется не только типом диэлектрика, но и паразитными последовательным сопротивлением и индуктивностью.

Иными словами необходимо понимать различие понятий тангенса угла потерь конденсатора и тангенса угла потерь диэлектрика. Тангенс угла потерь диэлектрика определяет потери конденсатора на низких и средних частотах. На высоких частотах определяющим является вклад паразитных индуктивности и последовательного сопротивления.

Тангенса угла потерь конденсатора определяет его нагрев. Тепловая мощность, выделяемая в объеме конденсатора определяется суммарной мощностью потерь в диэлектрике и на сопротивлении обкладок. Тангенс угла потерь конденсатора определяет все эти различные составляющие и тепловая мощность нагрева конденсатора равна:

Другие параметры реальных конденсаторов

Кроме паразитных параметров каждый конкретный тип конденсаторов характеризуется еще и такими характеристиками как:

— номинальная точность емкости, определяющая максимальное отклонение от номинального значения;

— температурный коэффициент емкости (ТКE) характеризующий изменение емкости при изменении температуры на 1%. Для конденсаторов с сильной зависимостью емкости от температуры (например керамических) указывают относительное изменение емкости в процентах;

— эффект смещения при постоянном токе (DC-bias) определяющий относительное изменение емкости конденсатора от приложенного напряжения. Уменьшение емкости с ростом напряжения характерно для керамических конденсаторов;

— диэлектрическая абсорбция – появление напряжения между обкладками конденсаторов после быстрого разряда. Эффект обусловлен тем, что реальный конденсатор в данном случае можно представить параллельным соединением множества последовательных RC-цепочек с различной постоянной времени. Интенсивность диэлектрической абсорбции главным образом зависит от свойств диэлектрика конденсатора (наиболее сильно проявляется эффект для электролитических конденсаторов, наименее заметно – для конденсаторов на основе неполярных диэлектриков (фторопласт, полистирол, полипропилен).

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) показывает относительное изменение емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус кельвина:

ΔC – изменение емкости конденсатора С;

ΔT – изменение температуры, вызвавшее изменение емкости ΔC.

Понятие температурного коэффициента емкости (ТКЕ) имеет смысл только для конденсаторов с диэлектриком имеющим линейную температурную зависимость.

Типовые номиналы емкостей конденсаторов

Для большинства практических случаев используется диапазон значений емкости конденсатора 1 пФ (пикофарад) – 10000 мкФ (микрофарад). Этот диапазон разбит на несколько рядов. Для конденсаторов наиболее распространенным является ряд E6. Значения номиналов рядов приведены в таблице C.1.

Таблица C.1. Значения наиболее распространенных номиналов рядов емкостей конденсаторов.

Параллельное и последовательное включение конденсаторов

Емкость параллельно соединенных конденсаторов равно сумме емкостей каждого из конденсаторов:

Емкость последовательно соединенных конденсаторов есть величина обратная сумме обратных величин емкостей конденсаторов каждого из конденсаторов:

Параллельное соединение конденсаторов используют для:

— увеличения суммарной емкости;

— увеличения запасаемой энергии;

— уменьшения уровня пульсаций на конденсаторах фильтра;

— снижения эффективного последовательного сопротивления (ESR) конденсаторной батареи. По этой причине параллельное соединение часто используется при построении емкостных фильтров на основе «электролитов». Так два-четыре параллельно соединенных «электролита» обеспечивают меньшие пульсации, чем один большой при равной ёмкости.

— уменьшения суммарного реактивного сопротивления;

— увеличения максимальной реактивной мощности (кВАр – ности) конденсаторной батареи, что необходимо в случаях работы с большими токами.

— снижения паразитной индуктивности;

— получения точного номинала ёмкости.

Последовательное соединение конденсаторов используют для:

— увеличения максимального рабочего напряжения – при условии равных емкостей рабочие напряжения складываются;

— увеличения запасаемой энергии (при условии одновременного повышения напряжения);

— увеличения максимальной реактивной мощности (кВАр – ности) конденсаторной батареи, за счет увеличения рабочего напряжения.

— увеличения суммарного реактивного сопротивления;

— построения емкостных делителей напряжения;

— получения точного номинала ёмкости.

На практике при параллельном и последовательном соединении конденсаторов особенно в импульсных и работающих на переменном токе схемах целесообразно использовать конденсаторы одного типа. При использовании конденсаторов разных типов возможны перенапряжения из-за различия паразитных параметров конденсаторов. Дополнительно при последовательном соединении конденсаторов, особенно «электролитов» необходимо использовать уравновешивающие резисторы (см. схему на рисунке C.6).

Рисунок C.6 — Последовательное соединение конденсаторов совместно с уравновешивающими резисторами

Конструкции конденсаторов

Тип конденсатора определяется двумя базовыми параметрами – формой и содержанием:

— форма = геометрия обкладок и диэлектрика;

— содержание = тип материала диэлектрика и обкладок.

Рулонная конструкция

Рулонная конструкция конденсатора (рисунок C.7) является одной из наиболее распространенных. Причиной этого является её технологичность и простота. Особенно широко используется при создании конденсаторов с большой ёмкостью. Практически все электролитические конденсаторы, полипропиленовые конденсаторы большой емкости, бумажные конденсаторы имеют рулонную конструкцию. К недостаткам конструкции относят: значительное последовательное сопротивление и большую паразитную индуктивность. При прочих равных параметрах с увеличением емкости данные паразитные параметры возрастают.

По типу корпуса и/или организации выводных электродов можно провести еще ряд градаций:

– аксиального или радиального типа;

– тубулярные или овальные по форме;

– индуктивные и неиндуктивные;

– боксовые или залитые (компаундом)

Рисунок C.7 — Рулонная конструкция конденсатора

Конструкция многослойного конденсатора

Конденсаторы многослойной конструкции (рисунок C.8) распространены несколько меньше, сложнее технологически и, по сравнению с рулонными, имеют существенно меньшую максимальную емкость. Преимуществами многослойных конденсаторов являются малые значения паразитных параметров – последовательного сопротивления и индуктивности.

Рисунок C.8 — Конструкция многослойного конденсатора

Дисковый конденсатор

Дисковые конденсаторы (рисунок C.9), как правило, имеют высокое рабочее напряжение, малую емкость (10 нФ и менее) и используются в высокочастотных и импульсных цепях. Значения последовательного сопротивления и паразитной индуктивности крайне малы. Высоковольтные высокочастотные конденсаторы имеют дисковую конструкцию.

Рисунок C.9 — Конструкция дискового конденсатора

Другие типы геометрии конденсаторов

Существуют и другие, менее распространенные типы геометрии конденсаторов – трубчатые, сферические и т.д. Однако они используются достаточно редко и поэтому здесь исключены из рассмотрения.

Взаимосвязь типа конструкции и тангенса угла потерь

Рулонная конструкция имеет существенно большую индуктивность рассеяния и большее последовательное сопротивление по сравнению с дисковой и многослойной конструкциями. Таким образом, по влиянию типа конструкции на тангенс угла потерь можно привести следующий ряд (по возрастанию потерь):

(Дисковая конструкция ≈ Многослойная конструкция) < Рулонная конструкция.

Типы диэлектриков и обкладок

В конденсаторах в качестве диэлектрика используется большое количество различных типов диэлектриков.

Тип диэлектрика определяет такие базовые параметры конденсатор как:

— сопротивление утечки (правда оно зависит еще и от толщины диэлектрика, то есть уменьшается с ростом рабочего напряжения);

— тангенс угла потерь;

— плотность запасаемой энергии;

— температурный коэффициент емкости – TKE;

— эффект смещения при постоянном токе;

По конструктиву и, «априори», типу диэлектрика, конденсаторы делятся на три больших класса:

В пленочных конденсаторах традиционно используются следующие полимерные диэлектрики (в скобках указаны ориентировочные значения тангенса угла потерь):

Фторопласт (0,0005) < Полистирол (0,001) < Полипропилен (0,0015) < Сульфид полифенилена (0,0015) < Поликарбонат (0,003) < Полиэтилентерефталат (0,015)

В керамических конденсаторах используются различные керамические материалы:

— диоксид титана TiO₂, цирконат кальция CaZrO₃, титанат бария BaTiO₃.

В электролитических конденсаторах в качестве диэлектрика используется тонкий слой окисной пленки:

— оксид алюминия Al₂O₃ (алюминиевые электролитические) или оксид тантала Ta₂O₅(танталовые электролитические).

Тип обкладок (напыленные, фольговые, цельнометаллические) определяет такой параметр конденсатора как последовательное сопротивление, которое входит в общее соотношение для тангенса угла потерь. Обкладки конденсаторов рулонной и многослойной конструкций могут быть выполнены как из металлической фольги, так и представлять собой металлическую пленку, напыленную на диэлектрик. Фольговые конденсаторы имеют большие габариты по сравнению с металлопленочными, но при прочих равных условиях их последовательное эквивалентное сопротивление существенно ниже. Это позволяет рекомендовать для использования в сильноточных цепях преимущественно фольговые конденсаторы. В керамических конденсаторах дисковой конструкции обкладки могут представлять собой медные пластины.

Подробно описание реальных типов конденсаторов дано ниже.

Типы конденсаторов

Пленочные конденсаторы

В пленочных конденсаторах в качестве диэлектрика используется пленка того или иного полимерного материала, а в качестве обкладок – фольга или тонкий слой металла, нанесенный на пленку. Пленочные конденсаторы имеют рулонную и многослойную конструкцию.

Таблица C.2. Сводные характеристики диэлектриков пленочных конденсаторов [VorlesungElektronische Bauelemente. Prof. Dr. H. Gesch. FH Landshut. Fachbereich Elektrotechnik, p. 21. WS2003/2004 г., «ПЭТФ, полипропилен, полистирол – пленочные конденсаторы широкого применения от JB Capacitors», В. Гавриков, Новости Электроники №4, 2013 г.].

Полистирольные конденсаторы предназначены для работы в цепях постоянного, переменного, пульсирующего тока и в импульсных режимах. Характерные значения емкости 1 нФ – 10 мкФ, рабочего напряжения – до 1000 В. Имеют высокую временную и температурную стабильность. Хорошо подходят для высокочастотных и прецизионных схемотехнических решений. Максимальная рабочая температура +85 °С. Используется преимущественно рулонная конструкция.

Полпропиленовые конденсаторы предназначены для работы в цепях постоянного, переменного, пульсирующего тока и в импульсных режимах. Характерные значения емкости 0,0022 мкФ — 100 мкФ, рабочего напряжения – до 2500 В. Низкие потери на высоких частотах. Существую так называемые металлизированные полипропиленовые конденсаторы, которые предназначены для существенно меньших рабочих токов в отличие от фольговых конденсаторов [Film Capacitors — Metallized Polypropylene Film Capacitors (MKP), Series/Type: B32674 . B32678, EPCOS AG 2015, EPCOS AG is a TDK Group Company ; Film Capacitors — General Technical Information. Vishay Roederstein, Document Number: 26033, 2012]

— конденсаторы для компенсации реактивной мощности;

— конденсаторы для индукционного нагрева;

Для полипропиленовых конденсаторах распространены рулонная и многослойная конструкции. В некоторых типах полипропиленовых конденсаторов используется технология самолечения, повышающая их надёжность.

Полиэтилентерефталатные конденсаторы (лавсановые конденсаторы, Polyethylene naphthalate — PEN) предназначены для работы в цепях постоянного, переменного, пульсирующего токов и импульсных режимах. Характерные значения емкости 0,001 мкФ — 1 мкФ, рабочего напряжения – до 1000 В. Достаточно большое значение тангенса угла потерь, что вызывает большие потери на высоких частотах. Конденсаторы металлизированные полиэтилентерефталатные являются одним из наиболее распространенных типов конденсаторов, что обусловлено малыми габаритами при высокой емкости.

— импульсные блоки питания;

— конденсаторы, блокирующие постоянное напряжение.

Фторопластовые конденсаторы предназначены для работы в цепях переменного и пульсирующего токов. Характерные значения емкости 560 пФ – 0,47 мкФ, рабочего напряжения – до 1000 В. Очень малые диэлектрические потери. Сверхмалые тока утечки. Высокая рабочая температура – до + 200 °С. Используются преимущественно в звукотехнике высокого уровня и измерительной аппаратуре. Даже при малых значениях емкости имеют достаточно большие габариты.

Сульфидполифениленовые конденсаторы (PPS) предназначены для работы в цепях переменного и пульсирующего токов. Характерные значения емкости 100 пФ – 100 мкФ, рабочего напряжения – до 400 В. Используются преимущественно в звукотехнике. Преимущественно используется многослойная конструкция и SMD-корпуса.

Поликарбонатные конденсаторы предназначены для работы в цепях постоянного, переменного, пульсирующего токов и в импульсных режимах. Характерные значения емкости 10 нФ – 47 мкФ, рабочего напряжения – до 400 В. Используются как фильтрующие, времязадающие и интегрирующие конденсаторы. Поликарбонатные конденсаторы имеют несколько меньшие потери, чем полиэтилентерефталатные.

Керамические конденсаторы

В пленочных конденсаторах в качестве диэлектрика используется керамический диэлектрик, а в качестве обкладок – тонкий слой металла или, реже, фольга. Керамические конденсаторы имеют многослойную или дисковую конструкцию. Наибольшее распространение получили многослойные керамические конденсаторы (Multilayer Ceramic Capacitors, MLCC) используемые как в SMD-корпусах, так и в корпусе с выводами. Основными преимуществами керамических конденсаторов являются высокая удельная емкость, широкий диапазон емкостей и рабочих напряжений, возможность работы на высоких частотах. Кроме этого керамические конденсаторы устойчивы к значительным перенапряжениям.

В качестве диэлектрика используются различные керамические материалы:

— диоксид титана (TiO₂) – условное обозначение NPO (NME);

— цирконат кальция CaZrO₃ – условное обозначение NPO;

— титанат бария BaTiO₃ – условное обозначение X7R, X5R, Y5V.

Тип используемого диэлектрика и конструктивные особенности и определяют характеристики конденсаторов.

Таблица C.3. Типы керамических диэлектриков конденсаторов [http://www.avx.com/resources/technical-info-papers/general/]

Конденсаторы на основе диэлектрика X7R. X7R — стабильный диэлектрик с предсказуемой температурной, частотной и временной зависимостью. Конденсаторы на основе X7R имеют малые габариты, низкое значение паразитной индуктивности. Характерные значения емкости 100 пФ – 4,7 мкФ, рабочего напряжения – 10-2000 В. Основные области использования конденсаторов на основе X7R:

— времязадающие цепей, дифференцирующие и интегрирующие цепочки;

— помехоподавляющие и фильтрующие конденсаторы (bypass);

Конденсаторы на основе диэлектрика X5R. X5R — керамический диэлектрик используемый в цепях общего применения, где не требуется высокая стабильность емкости. Конденсаторы на основе X5R имеют высокое значение емкости, сильную температурную зависимость (большую индуктивность). Характерные значения емкости 10 нФ – 47 мкФ, рабочего напряжения – 6,3-25 В. Конденсаторы на основе X5R используются как конденсаторы общего значения в бытовой радиоаппаратуре, а также в качестве помехоподавляющие и фильтрующих конденсаторов;

Конденсаторы на основе керамических диэлектриков Y5V и Z5U. Y5V и Z5U используются в цепях общего и промышленного применения, где не предъявляется особых требований к температурной стабильности емкости. Конденсаторы на основе Y5V и Z5U имеют высокое значение емкости, и значительную температурную зависимость. Характерные значения емкости 10 нФ – 22 мкФ, рабочего напряжения – 25-50 В. Конденсаторы на основе Y5V и Z5U используются в качестве помехоподавляющие и фильтрующих конденсаторов;

Конденсаторы на основе диэлектрика NP0(C0G). Диэлектрик NP0(C0G) — высокостабильный диэлектрик, используемый в прецизионных цепях. Емкость конденсаторов на основе NP0(C0G) практически не изменяется под действием температуры, напряжения и времени (в пределах рабочего диапазона). Конденсаторы на основе NP0(C0G) имеют сравнительно высокие габариты и стоимость. Характерные значения емкости 0,47 пФ – 22 нФ, рабочего напряжения – 16-4000 В. Основные области использования конденсаторов на основе NP0(C0G):

— времязадающие цепи, дифференцирующие и интегрирующие цепочки;

Использование конденсаторов на основе диэлектрика NP0(C0G) в качестве помехоподавляющих или фильтрующих (bypass) неоправданно по причине высокой их стоимости и достаточно больших габаритов.

Электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы – конденсаторы, в которых в качестве диэлектрика используется тонкий слой окисной пленки на одном из обкладок — электродов. Другой обкладкой фактически является электролит, контактирующий с металлической фольгой играющей роль токосъема. Именно по причине присутствия электролита в составе конденсатора они и называются электролитическими. Для предотвращения электрического контакта оксидированной обкладки и токосъемной обкладки фольги между ними располагают тонкий слой бумаги или полимерной пористой мембраны, одновременной являющийся носителем электролита. Электролитические конденсаторы обладают высокой удельной емкостью, что обусловлено малой толщиной пленки оксида – порядка 1 мкм. Толщина этого слоя определяет прямое рабочее напряжение. Обратное же напряжение не должно превышать 1,5-2 В иначе произойдет нарушение оксидного слоя и выход конденсатора из строя.

В зависимости от типа используемого диэлектрика электролитические конденсаторы подразделяются на:

— алюминиевые электролитические – диэлектрик оксид алюминия Al₂O₃;

— танталовые электролитические – диэлектрик оксид тантала Ta₂O₅;

В зависимости от типа применяемого электролита конденсаторы подразделяются:

— жидко-электролитические — обычные электролитические конденсаторы в которых в качестве электролита используется электропроводная жидкость;

— твердотельные – в которых электролитом является токопроводящий органический полимер (PEDT или Polypyrrole).

Алюминиевые электролитические конденсаторы с органическим полупроводниковым материалом имеют меньшие значения последовательного сопротивления ESR, более широкий частотный диапазон, высокую стабильность и срок службы по сравнению с обычными электролитическими конденсаторами с жидким электролитом.

Подавляющее большинство алюминиевых электролитических конденсаторов имеют рулонную конструкцию, а танталовые – многослойную. Поэтому большинство электролитов имеют выводную конструкцию, а танталовые выполняются в SMD-корпусах.

Специфические параметры электролитических конденсаторов

Как было сказано ранее, тип диэлектрика и электролита определяют основные параметры конденсатора. В дополнение к обычным конденсаторным параметрам у электролитов особо выделяют ряд параметров:

— гарантированный срок службы;

— последовательное сопротивление (ESR);

— импеданс (полное сопротивление);

— максимальный ток пульсаций.

Гарантированный срок службы. Да, да, они не вечны. Используемый в электролитических конденсаторах жидкий электролит со временем высыхает. Применяя научную терминологию происходит диффузия электролита через изолятор. Особенно быстро это происходит при повышенной температуре. С высыханием электролита уменьшается ёмкость конденсатора, увеличивается ESR и соответственно изменяются характеристики устройства, в котором он используется. Можно сказать, что электролиты являются бомбами замедленного действия. И они реально взрываются. По этой причине одним из важнейших параметров электролитических конденсаторов является время гарантированной работы — гарантированный срок службы, составляющий от 1000 до 15 000 часов для алюминиевых конденсаторов с жидкими электролитом. По этому параметру особо выделяются долговечные электролитические конденсаторы имеющие 5000-15000 часов гарантированной работы. При этом необходимо, чтобы были обеспечены нормальные условия работы – номинальное напряжение, номинальный пульсирующий ток, номинальная температура.

Для каждого типа конденсатора фирмы изготовители предлагают методики расчет прогнозируемого срока службы в зависимости от условий эксплуатации. Эти методики, как правило, содержат номограммы срока службы индивидуальные для каждого из типов конденсаторов. Если при проектировании схем существует задача обеспечения длительного срока службы то можно использовать конденсатор с большим значением рабочего напряжения, облегчить температурный режим. Для снижения тепловой нагрузки на конденсатор можно применять несколько приемов:

— использовать принудительное охлаждение (обдув);

— вместо одного использовать несколько конденсаторов, желательно длинных и узких;

— отдалить конденсаторы от внешних источников тепла – радиаторы, трансформаторы и т.д. На практике это одна из наиболее часто встречающихся проблем при проектировании источников питания.

Кстати именно выход из строя электролитов является одной из наиболее распространенных поломок бытовой радиоэлектронной аппаратуры.

Конденсаторы с диэлектриком в виде проводящего полимера, органического и неорганического полупроводника (полимерные и твердотельные) конденсаторы имеют значительно больший срок службы – до 50000 часов. Их недостатки – большая цена и малые рабочие напряжения (до 50 В).

Последовательное сопротивление ( ESR ). Является одними из важнейших параметром электролитов для задач силовой электроники. Для различных подтипов электролитов она изменяется в широких пределах от 10 мОм до 1 Ом. Выделяется отдельный класс конденсаторов с низким ESR.

Полный импеданс конденсатора. Величина общего импеданса определяется компонентами схемы замещения (рисунки C.3, C.4). В области низких частот импеданс в основном определяется емкостной составляющей, в области средних частот – преимущественно ESR, в области высоких частот начинает оказывать влияние последовательная индуктивность ESL.

Рисунок C.10 – Полный импеданс конденсатора Z складывается из резистивной R, емкостной Z_C и индуктивной Z_L составляющих [Алюминиевые электролитические конденсаторы Samwha. С. Швецов. Новости Электроники №11, 2008]

Максимальный ток пульсаций. Во многих устройствах силовой электроники например электронных балластах, зарядных устройствах, и т.д. через электролитические конденсаторы протекают значительные импульсы тока. Это, в свою очередь, приводит к нагреву конденсатора, высыханию электролита и выходу из строя до завершения гарантированного срока службы.

Кроме представленных параметров отдельно выделяют диапазон рабочих температур. Так существуют типы электролитических конденсаторов предназначенных для эксплуатации в широком температурном диапазоне – до 155 °С.

При выборе электролитических конденсаторов для сильноточных цепей мощных преобразователей следует уделить особое внимание параметрам ESL и ESR, определяющим электрический и тепловой режимы работы конденсаторов.

Причины выхода из строя электролитических конденсаторов

Отрицательные напряжения. При последовательном соединении электролитов разница в емкости может привести к отрицательному напряжению на одном из них обладающего меньшей емкостью, для предотвращения этого использую схему включения с защитными диодами и выравнивающими резисторами (рисунок C.11). При параллельном соединении электролитов необходимо, чтобы паразитная индуктивность соединения между ними была минимальной. Для этого необходимо минимизировать расстояние между ними на плате. Несоблюдение этого условия может привести к перенапряжениям за счет колебательного процесса вызванного паразитными LC-контуром [Особенности применения электролитических конденсаторов. А. Колпаков. Схемотехника № 1,2,3 2000]. Для кардинального уменьшения паразитной индуктивности конденсаторной батареи можно использовать двустороннюю печатную плату с токопроводящими шинами-дорожками с каждой и сторон платы: например верхняя сторона для положительной полярности, нижняя сторона – для отрицательной. При таком расположении площадь токовой петли будет минимальной. В справочных листках на конденсаторы указывается информация об допускаемой амплитуде выбросов обратного напряжения (например до –1.5 В для конденсаторов EPCOS [Алюминиевые электролитические конденсаторы EPCOS. Справочник — http://www.platan.ru/docs/library/ALCAP_EPCOS.pdf]).

Рисунок C.11. Схема последовательного включения электролитических конденсаторов с защитными диодами и выравнивающими резисторами

Температурная память. При переохлаждении конденсатора до низкой температуры (-40 С°) и повышение температуры выше максимальной приводят к резкому росту ESR и уменьшению емкости.

Работа при напряжении близком к максимальному. При напряжениях на конденсаторе близких к максимальному рабочему имеет место выделение тепла обусловленного током утечки (параллельное паразитное сопротивление r), что уменьшает срок службы конденсаторов. При этом необходимо понимать, что ток утечки значительно возрастает с ростом температуры.

Протекание высокочастотной составляющей тока. Протекание высокочастотной составляющей тока сопровождается выделением тепла, что существенно влияет на срок службы конденсаторов.

Механические вибрации. Механические вибрации могут стать причиной разгерметизации корпуса конденсатора, что в свою очередь приводит к быстрому высыханию электролита и выходу конденсатора из строя.

Влияние ESR на амплитуду пульсаций напряжения емкостного фильтра

Одним из наиболее распространенных применений электролитических конденсаторов в силовой электронике являются емкостные фильтры напряжения. Электролиты стоят во входных цепях импульсных источников питания сразу после выпрямителя сетевого напряжения, электролиты используют и в выходных цепях источников питания. Одним из основных параметров емкостных фильтров является коэффициент пульсаций. Коэффициент пульсаций с одной стороны определяется процессом разряда емкости током нагрузки. Амплитуда пульсаций, вызванная разрядом-зарядом емкости конденсатора равна:

I_load – ток разряда;

С – емкость конденсатора;

Δt – время между импульсами зарядного тока (определяется частотой питания ёмкостного фильтра).

Эту составляющую пульсаций можно снизить до очень малой величины увеличивая емкость и частоту.

Другая составляющая пульсаций определяется падением напряжения на внутреннем сопротивлении конденсатора ESR_C и равна:

I_load – ток разряда;

ESR_C – внутреннее последовательное сопротивление конденсатора.

Множитель 2 показывает удвоение амплитуды поскольку при заряде напряжение на нагрузке выше на величину I_load · ESR_C, а при разряде меньше на величину I_load · ESR_C (меняется направление тока, проходящего через конденсатор).

Эта составляющая пульсаций не зависит от емкости частоты, а определяется только током нагрузки и внутренним сопротивлением конденсатора.

Для выходных каскадов импульсных высокочастотных источников питания типична ситуация когда пульсации вызванные падением напряжения на внутреннем сопротивлении конденсатора, выше пульсаций обусловленных разрядом-зарядом емкости выходного конденсатора:

Рисунок C.12 – Пульсации напряжения на конденсаторе с малым и большим ESR при их одинаковой емкости

О параллельном включении керамических конденсаторов и электролитов

В схемотехнике выходных фильтров источников питания часто встречается последовательное соединение электролитического конденсатора и керамического (либо пленочного) малой емкости. Вопреки распространенному мнению, такое решение практически не снижает коэффициент пульсаций, но способствует подавлению высокочастотных помех, вызываемых коммутацией ключевых элементов. Для уменьшения коэффициента пульсаций используют LC-фильтры.

Рисунок C.13 – Параллельное включение электролитических и керамических конденсаторов

О монтаже электролитических конденсаторов

Не следует сильно загибать выводы электролитических конденсаторов непосредственно у корпуса – это может привести к нарушению герметичности и уменьшению срока службы.

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Как следует из названия, диэлектриком в данных конденсаторах является пленка оксида алюминия. Алюминиевые электролитические конденсаторы с жидким электролитом наиболее распространены среди электролитических конденсаторов. Это обусловлено высокой удельной емкостью, низкой стоимостью и широким диапазоном рабочих напряжений (15-450 В) и ёмкостей (1 мкФ — 1 Ф). Столь высокие значения удельной емкости достигаются за счет увеличения эффективной площади конденсаторов путем травления анодной фольги. Алюминиевые электролитические конденсаторы допускают кратковременные импульсные перенапряжения не более чем 10-15 % от рабочего напряжения.

Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют параллельное сопротивление, уменьшающееся с ростом напряжения на конденсаторе. То есть с увеличением напряжения ток разряда конденсатора будет нелинейно возрастать [Алюминиевые электролитические конденсаторы EPCOS. Справочник — http://www.platan.ru/docs/library/ALCAP_EPCOS.pdf]. Электролитические конденсаторы – устройства полярные и могут работать только при одной полярности напряжения, максимальное обратное напряжение на электролитах не должно превышать величину порядка 1,5 В. Следует быть осторожным при использовании стандартных алюминиевых «электролитов» в схемах, которые должны работать «долго и счастливо». Реально срок их службы составляет несколько десятков тысяч часов и зависит от температурного и токового режима работы.

Уменьшение температуры приводит к снижению (на 10-15 %) ёмкости алюминиевых электролитических конденсаторов в пределах рабочего температурного диапазона. Это необходимо учитывать при проектировании схем работающих в «уличных» условиях.

Для электролитических конденсаторов принято считать, что потери определяются только потерями, обусловленными эквивалентным последовательным сопротивлением. Это обусловлено тем, что на высоких частотах «электролиты» попросту не используются. При таком подходе ESR связано с тангенсом угла потерь соотношением [Алюминиевые электролитические конденсаторы EPCOS. Справочник — http://www.platan.ru/docs/library/ALCAP_EPCOS.pdf]:

tg δ – тангенс угла потерь;

f – частота на которой выполнено измерение tg δ;

C – емкость конденсатора.

Зная значение тангенса угла потерь и частоту, на которой он был измерен можно рассчитать величину ESR.

Танталовые электролитические конденсаторы

Танталовые конденсаторы по сравнению с алюминиевыми имеют большую удельную емкость и соответственно меньшие размеры. Кроме этого у них лучшая температурная стабильность, малые утечки, шире диапазон рабочих температур, значительно больший срок службы. И существенно большая стоимость. Именно по этим причинам танталовые конденсаторы являются атрибутом элитной электроники. Характерные значения емкости – 1-470 мкФ, рабочего напряжения – 4-50 В. В цепях помехоподавления танталовые электролитические конденсаторы могут быть заменены на неполярные многослойные керамические конденсаторы большой емкости имеющие меньшие значения ESR, ток утечки и стоимость.

Рисунок C.14 – Танталовые конденсаторы

Особые требования к конденсаторам в источниках питания

Входные конденсаторы

К входным конденсаторам импульсных стабилизаторов и преобразователей предъявляются особые требования по входному импедансу, в первую очередь к ESL (EffectiveSeries Inductance) и во вторую очередь к ESR (Equivalent Series Resistance). Даже сравнительно малая последовательная индуктивность входных конденсаторов может стать причиной выбросов напряжения и паразитных осцилляций на входных цепях преобразователей, что в свою очередь может привести к пробою коммутационных элементов. Традиционным решением является использование на входе преобразователя в дополнение к основным, как правило, электролитическим конденсаторам конденсаторов малой емкости, но обладающих низким ESL (как правило, пленочных или керамических). Эти конденсаторы располагают в непосредственной близости к силовому контуру коммутации. [Switching Regulator Fundamentals. Application Report SNVA559A–September 2012–Revised September 2016. Texas Instruments Incorporated. http://www.ti.com/lit/an/snva559a/snva559a.pdf].

Выходные конденсаторы

К выходным конденсаторам, которые выполняют роль фильтров и накопителей энергии в импульсных источниках питания предъявляются требования в первую очередь к их ESR. При этом особое внимание нужно обращать на диапазон частот, для которого изготовитель указывает ESR. Часто, для конденсаторов общего применения указывается ESR для частоты 120 Гц. На высоких частотах 20-100 кГц значение может сильно измениться. Поэтому необходимо точно знать ESR для частоты соответствующей рабочей частоте преобразователя. Кроме этого ESR обычных алюминиевых электролитических конденсаторов может изменяться более чем в 40 раз при изменении температуры в диапазоне от -40 до +25 °С. [Switching Regulator Fundamentals. Application Report SNVA559A–September 2012–Revised September 2016. Texas Instruments Incorporated. http://www.ti.com/lit/an/snva559a/snva559a.pdf]. ESR выходных конденсаторов является основной причиной пульсаций напряжения на выходе источников питания. Традиционным является параллельное включение конденсаторов с меньшей емкостью, при этом их ESR оказываются включенными параллельно.

Шунтирующие конденсаторы (bypass capacitors)

Шунтирующие конденсаторы используют для подавления (шунтирования) пульсаций и высокочастотных наводок по цепям питания микросхем. Традиционно для данных целей используются керамические конденсаторы.

Типоразмеры основных типов конденсаторов

Керамические SMD-конденсаторы

Рисунок C.15 – К типоразмерам керамических SMD-конденсаторов

Таблица C.4 – Типоразмеры и маркировка керамических SMD-конденсаторов

Танталовые SMD-конденсаторы

Рисунок C.16 – Габаритные размеры танталовых чип-конденсаторов

Таблица C.5 – Типоразмеры и маркировка рабочих напряжений танталовых SMD-конденсаторов

Занимательная радиотехника. Проходит ли ток через конденсатор?

Проходит электрический ток через конденсатор или не проходит? Повседневный радиолюбительский опыт убедительно говорит, что постоянный ток не проходит, а переменный проходит.

Это легко подтвердить опытами. Можно зажечь лампочку, присоединив ее к сети переменного тока через конденсатор. Громкоговоритель или телефонные трубки будут продолжать работать, если их присоединить к приемнику не непосредственно, а через конденсатор.

Конденсатор представляет собой две или несколько металлических пластин, разделенных диэлектриком. Этим диэлектриком чаще всего бывает слюда, воздух или керамика, являющиеся наилучшими изоляторами. Вполне естественно, что постоянный ток не может пройти через такой изолятор. Но почему же проходит через него переменный ток? Это кажется тем более странным, что такая же самая керамика в виде, например, фарфоровых роликов прекрасно изолирует провода переменного тока, а слюда прекрасно выполняет функции изолятора в паяльник ах, электроутюгах и других нагревательных приборах, исправно работающих от переменного тока.

Посредством некоторых опытов мы могли бы «доказать» еще более странный факт: если в конденсаторе заменить диэлектрик со сравнительно плохими изоляционными свойствами другим диэлектриком, который является лучшим изолятором, то свойства конденсатора изменятся так, что прохождение переменного тока через конденсатор будет не затруднено, а, наоборот, облегчено. Например, если включить лампочку в цепь переменного тока через конденсатор с бумажным диэлектриком и затем заменить бумагу таким прекрасным изолятором; как стекло или фарфор такой же толщины, то лампочка начнет гореть ярче. Подобный опыт позволит прийти к заключению, что переменный ток не только проходят через конденсатор, но что он к тому же проходит тем легче, чем лучшим изолятором является его диэлектрик.

Однако, несмотря на всю кажущуюся убедительность подобных опытов, электрический ток — ни постоянный, ни переменный — через конденсатор не проходит. Диэлектрик, разделяющий пластины конденсатора, служит надежной преградой на пути тока, каким бы он ни был — переменным или постоянным. Но это еще не означает, что тока не будет и во всей той цепи, в которую включен конденсатор.

Конденсатор обладает определенным физическим свойством, которое мы называем емкостью. Это свойство состоит в способности накапливать на обкладках электрические заряды. Источник электрического тока можно грубо уподобить насосу, перекачивающему в цепи электрические заряды. Если ток постоянный, то электрические заряды перекачиваются все время в одну сторону.

Как же будет вести себя в цепи постоянного тока конденсатор?

Наш «электрический насос» будет качать заряды на одну его обкладку и откачивать их с другой обкладки. Способность конденсатора удерживать на своих обкладках (пластинах) определенную разницу количества зарядов и называется его емкостью. Чем больше емкость конденсатора, тем больше электрических зарядов может быть на одной обкладке по сравнению с другой.

В момент включения тока конденсатор не заряжен — количество зарядов на его обкладках одинаково. Но вот ток включен. «Электрический насос» заработал. Он погнал заряды на одну обкладку и начал откачивать их с другой. Раз в цепи началось движение зарядов, значит в ней начал протекать ток. Ток будет течь до тех пор, пока конденсатор не зарядится полностью. По достижении этого предела ток прекратится.

Следовательно, если в цепи постоянного тока есть конденсатор, то после ее замыкания ток в ней будет течь столько времени сколько нужно для полного заряда конденсатора.

Если сопротивление цепи, через которую заряжается конденсатор, сравнительно невелико, то время заряда оказывается очень коротким: оно длится ничтожные доли секунды, после чего течение тока прекращается.

Иное дело в цепи переменного тока. В этой цепи «насос» перекачивает электрические заряды то в одну, то в другую сторону. Едва создав на одной обкладке конденсатора превышение количества зарядов по сравнению с количеством их на другой обкладке, насос начинает перекачивать их в обратно направлении. Заряды будут циркулировать в цепи непрерывно, значит в ней, несмотря на присутствие не проводящего ток конденсатора, будет существовать ток — ток заряда и разряда конденсатора.

От чего будет зависеть величина этого тока?

Под величиной тока мы понимаем количество электрических зарядов, протекающих в единицу времени через поперечное сечение проводника. Чем, больше емкость конденсатора, тем больше зарядов потребуется для его «заполнения», значит тем сильнее будет ток в цепи. Емкость конденсатора зависит от ве-, личины пластин, расстояния между ними и рода разделяющего их диэлектрика, его диэлектрической проницаемости. У фарфора диэлектрическая проницаемсклъ больше, чем у бумаги, поэтому при замене в конденсаторе бумаги фарфором ток в цепи увеличивается, хотя фарфор является лучшим изолятором, чем бумага.

Величина тока зависит также от его частоты. Чем выше частота, тем больше будет ток. Легко понять, почему это происходит, представив себе, что мы наполняем водой через трубку сосуд емкостью, например, 1 л и затем выкачиваем ее оттуда. Если этот процесс будет повторяться 1 раз в секунду, то по трубке в секунду будет проходить 2 л воды: 1 л в одну сторону и 1 л — в другую. Но если мы удвоим частоту^ процесса: будем наполнять и опорожнять сосуд 2 раза в секунду, то по трубке в секунду пройдет уже 4 л воды — увеличение частоты процесса при неизменной емкости сосуда привело к соответствующему увеличению количества воды, протекающей по трубке.

Из всего сказанного можно сделать следующие выводк: электрический ток — ни постоянный, ни переменный — через конденсатор не проходит. Но в цепи, соединяющей источник переменного тока с конденсатором, течет ток заряда и разряда этого конденсатора. Чем больше емкость конденсатора и выше частота тока, тем сильнее будет этот ток.

Эта особенность переменного тока чрезвычайно широко используется в радиотехнике. На ней основано и излучение радиоволн. Для этого мы возбуждаем в передающей антенне высокочастотный переменный ток. Но почему же ток течет в антенне, ведь она не представляет собой замкнутую цепь? Он течет потому, что между проводами антенны и противовеса или землей существует емкость. Ток в антенне представляет собой ток заряда и разряда этой емкости, этого конденсатора.

Конденсатор

Рассмотрим водопроводную модель конденсатора. Ранее мы говорили о том, что ток может течь только в трубе, соединенной в кольцо в замкнутой цепи. Но можно представить пустую емкость, в которую можно заливать воду, пока емкость не заполнится. Это и есть конденсатор — емкость, в которую можно заливать заряд.

Для большей аналогии лучше представить себе водонапорную башню, в модели — трубу бесконечной длины поставленную вертикально. Вода насосом закачивается в эту трубу с нижнего торца и поднимается на высоту. Чем больше воды закачали и чем выше она поднялась — тем сильнее столб воды давит на днище и выше там давление. Так-то в эту бесконечную трубу можно сколько угодно воды (электрического заряда) закачать, но при этом противодавление столба воды будет расти. Если качать заряд генератором напряжения, то когда противодавление сравняется с давлением (напряжением), создаваемым генератором — закачка остановится.

Если характеристикой резистора является сопротивление, то электрической характеристикой конденсатора является емкость.

С=Q/U

Емкость говорит, сколько заряда можно в конденсатор закачать, чтобы напряжение там поднялось до величины U. Можно сказать, что емкость характеризует диаметр трубы. Чем ýже труба, тем быстрее поднимается уровень воды при закачке и растет давление на дне трубы. Давление же зависит только от высоты водяного столба, а не от массы закачанной воды.

В электрических терминах, чем меньше емкость конденсатора, тем быстрее растет напряжение при закачке туда заряда.

Напомню, что электрический ток I равен количеству протекающего заряда Q в секунду. То есть I=Q/T, где T — время. Это все равно, что поток воды исчисляемый кубометрами в секунду. Или килограммами в сек, потом проверим по размерности).

Поэтому конденсатор с маленькой емкостью заполняется зарядом быстро, а с большой емкостью — медленно.

Рассмотрим теперь электрические цепи с конденсатором.

Пусть конденсатор подключен к генератору напряжения.

рис 9. Подключение конденсатора к генератору напряжения.

«Главный инженер повернул рубильник» S1 и.. тыдыщ. Что произошло?

Идеальный генератор напряжения имеет бесконечную мощность и может выдавать бесконечный ток. Когда замкнули рубильник в нашу емкость хлынуло бесконечное количество заряда в секунду и она мгновенно заполнилась и напряжение на ней выросло до U.

Теперь рассмотрим более реальную цепь.

Это Вторая Главная Цепь в жизни инженера-электронщика (после делителя напряжения) —
RC–цепочка.

RC–цепочка

RC -цепочки бывают интегрирующего и дифференцирующего типа.

RC–цепочка интегрирующего типа

рис 10. Подключение RC -цепочки интегрирующего типа к генератору напряжения.

Что произойдет в этой схеме, если замкнуть выключатель S1?

Конденсатор С исходно разряжен и напряжение на нем рано 0. Поэтому ток в первый момент будет равен I=U/R. Затем конденсатор начнет заряжаться, напряжение на нем увеличивается, и ток через резистор начнет уменьшаться. I=(U-Uc)/R. Этот процесс будет продолжаться, конденсатор будет заряжаться уменьшающимся током до напряжения источника U. Напряжение на конденсаторе при этом будет расти по экспоненте.

рис 11. График роста напряжения на конденсаторе при подаче напряжения величиной U (ступеньки).

Вопрос: А если запитать такую цепочку от генератора тока, как будет расти напряжение на конденсаторе?

Почему цепочка называется — «интегрирующего типа»?

Как выше было отмечено, ток в первый момент после подачи напряжение будет равен I=U/R, так как конденсатор разряжен, и напряжение на нем равно 0. И какое-то время, пока напряжение на конденсаторе Uc мало по сравнению с U, ток будет оставаться почти постоянным. А при заряде конденсатора постоянным током напряжение на нем растет линейно.

Uc=Q/C, а мы помним, что ток это количество заряда в секунду, то есть скорость протекания заряда. Другими словами, заряд это интеграл от тока.

Q = ∫ I * dt =∫ U/R * dt

Uc=1/RC * ∫ U * dt

Но все это близко к истине в начальный момент, пока напряжение на конденсаторе малó.

На самом деле все сводится к тому, что конденсатор заряжается постоянным током.
А постоянный ток выдает генератор тока. (См. вопрос выше)
Если источник напряжения выдает бесконечно большое напряжение и сопротивление R также имеет бесконечно большую величину, то по факту мы имеем уже идеальный генератор тока, и внешние цепи на величину этого тока влияния не оказывают.

RC–цепочка дифференцирующего типа

Ну тут все то же самое, что в интегрирующей цепочке, только наоборот.

рис 12. Дифференцирующая цепочка.

Более подробно свойства RC цепей хорошо освещены в интернете.

Параллельное и последовательное соединение конденсаторов

Так же как резисторы, конденсаторы можно соединять последовательно и параллельно.

При параллельном соединении емкости складываются — ну это и понятно, это как заполнять сообщающиеся сосуды, общий объем получается равным сумме объемов. При последовательном же соединении получится так, что конденсатор с маленькой емкостью заполнится зарядом быстрее, чем конденсатор с большой емкостью. Напряжение на маленьком конденсаторе быстро вырастет почти до напряжения источника ( ну и остальные конденсаторы внесут свой вклад) , ток в общей цепи уменьшится до нуля, и процесс заряда конденсаторов прекратится. Таким образом емкость последовательно соединенных конденсаторов получается меньше емкости самого маленького из них.

Upd.
Рассмотрим более подробно процесс заряда конденсатора на схеме рис.10 (по мотивам учебника И.В.Савельева «Курс общей физики», том II. «Электричество» )
Как было сказано в предыдущей статье О природе электрического тока электрический ток — это движение заряженных частиц. В проводниках ( в отличие от диэлектриков-изоляторов) часть электронов является свободными и такие электроны могут перескакивать от одного атому к другому. В целом проводник электрически нейтрален — отрицательный заряд электронов компенсируется положительным зарядом ядер атомов. Чтобы заставить электроны двигаться нужно создать их избыток на одном конце проводника и недостаток на другом. Этот избыток электронов на одном полюсе создает батарейка вследствие протекающих в ней электрохимических реакций. Когда проводник присоединяется к полюсам батарейки электроны от полюса, где их избыток начинают двигаться к другому полюсу, потому что одноименные заряды отталкивают друг друга. Эти свободные электроны движутся внутри проводника по всему объему.
Движение электронов в RC цепи на рис. 3 имеет другой характер. Поскольку цепь не замкнута (обкладки конденсатора не соединены друг с другом) постоянный ток в цепи идти не может. Поэтому поступающий избыток электронов с полюса батарейки приводит к тому, что проводник теряет электрическую нейтральность. Избыточный заряд q, распределяется по поверхности проводника так, чтобы напряженность поля внутри проводника была равна нулю. Ну это понятно, одноименные заряды отталкиваются и стремятся расположиться подальше друг от друга, то есть на поверхности. Если бы не было резистора R, то перераспределение зарядов по поверхности происходило бы мгновенно. Однако резистор ограничивает ток ( движение зарядов) поэтому перераспределение происходит постепенно. По мере зарядки конденсатора напряжение на нем растет и ток через резистор уменьшается. Избыточные электроны концентрируются на одной обкладке и создают электрическое поле. Это поле отталкивает электроны, находящиеся на другой обкладке и «проталкивает» их дальше по проводнику к отрицательному полюсу батареи. (Знаки + и — в данном случае берем условно). Таким образом в незамкнутой цепи протекает ток заряда конденсатора. Этот ток не постоянный и уменьшается со временем. Однако, если в какой-то момент поменять полярность батареи, то ток потечет уже в обратную сторону. Если это переключение делать достаточно часто, так чтобы конденсатор не успевал полностью зарядиться, то в цепи все время будет течь ток, то в одну, то в другую сторону. Это и происходит, когда говорят, что «конденсатор проводит переменный ток».
Для плоского конденсатора емкость равна С=ε0*ε*S/d , где d – зазор между обкладками, ε – диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего зазор, S — площадь обкладок.
То есть на емкость влияет не только площадь обкладок и расстояние между ними, но и материал диэлектрика, который между обкладками помещен. Причем на емкость конденсатора материал диэлектрика может влиять достаточно сильно, с разными дополнительными эффектами, см. например статью «Поляризация диэлектрика»

Литература
«Драма идей в познании природы», Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю., 1988
«Курс общей физики», том II. «Электричество» И.В.Савельев
Википедия — статьи про электричество.