Разновидности конденсаторов по типу диэлектрика
В радиоэлектронике используются огромное количество всевозможных конденсаторов. Все они различаются по таким основным параметрам как номинальная ёмкость, рабочее напряжение и допуск.
Но это лишь основные параметры. Ещё одним немаловажным параметрам может служить то, из какого диэлектрика состоит конденсатор. Рассмотрим более подробно, какие бывают конденсаторы по типу диэлектрика.
В радиоэлектронике применяются полярные и неполярные конденсаторы. Отличие полярных конденсаторов от неполярных заключается в том, что полярные включаются в электронную схему в строгом соответствии с указанной полярностью. К полярным конденсаторам относятся так называемые электролитические конденсаторы. Наиболее распространены радиальные алюминиевые электролитические конденсаторы. В отечественной маркировке они имеют обозначение К50-35.
Радиальный электролитический конденсатор
У аксиальных конденсаторов проволочные выводы размещены по бокам цилиндрического корпуса, в отличие от радиальных конденсаторов, выводы которых размещаются с одной стороны цилиндрического корпуса. Аксиальными электролитами являются конденсаторы с маркировкой К50-29 К50-12, К50-15 и К50-24.
Аксиальные электролитические конденсаторы серии К50-29 и импортный фирмы PHILIPS
В обиходе радиолюбители называют электролитические конденсаторы "электролитами".
Обнаружить их можно в блоках питания радиоэлектронной аппаратуры. В основном они служат для фильтрации и сглаживания выпрямленного напряжения. Также электролитические конденсаторы активно применяются в усилителях звуковой частоты (усилках) для разделения постоянной и переменной составляющей тока.
Электролитические конденсаторы обладают довольно значительной ёмкостью. В основном, значения номинальной ёмкости простираются от 0,1 микрофарады (0,1 мкФ) до 100.000 микрофарад (100000 мкФ).
Номинальное рабочее напряжение электролитических конденсаторов может быть в диапазоне от 10 вольт до нескольких сотен вольт (100 – 500 вольт). Конечно, не исключено, что есть и другие образцы, с другой ёмкостью и рабочим напряжением, но на практике встречаются они довольно редко.
Стоит отметить, что номинальная ёмкость электролитических конденсаторов уменьшается по мере роста срока их эксплуатации.
Поэтому, для сборки самодельных электронных устройств, стоит применять либо новые купленные, либо те конденсаторы, которые эксплуатировались в электроаппаратуре небольшой срок. В противном случае, можно столкнуться с ситуацией неработоспособности самодельного устройства по причине неисправности электролитического конденсатора. Наиболее распространённый дефект “старых” электролитов – потеря ёмкости и повышенная утечка.
Перед повторным применением стоит тщательно проверить конденсатор, ранее бывший в употреблении.
Опытные радиомеханики могут многое рассказать про качество электролитических конденсаторов. В пору широкого распространения советских цветных телевизоров в ходу была очень распространённая неисправность телевизоров по причине некачественных электролитов. Порой доходило до того, что телемастер заменял практически все электролитические конденсаторы в схеме телевизора, после чего аппарат исправно работал долгие годы.
В последнее время всё большее распространение получают компактные электролитические конденсаторы для поверхностного монтажа. Их габариты значительно меньше, чем классических выводных.
Конденсаторы электролитические алюминиевые для SMD монтажа на плате CD — привода
Также существуют миниатюрные танталовые конденсаторы. Они имеют довольно малые размеры и предназначены для SMD монтажа. Обнаружить их легко на печатных платах миниатюрных МР3 плееров, мобильных телефонов, материнских платах ноутбуков и компьютеров.
Танталовые электролитические конденсаторы на печатной плате MP-3 плеера
Несмотря на свои маленькие размеры, танталовые конденсаторы имеют значительную ёмкость. Они аналогичны алюминиевым электролитическим конденсаторам для поверхностного монтажа, но имеют значительно меньшие размеры.
Танталовый SMD конденсатор ёмкостью 47 мкФ и рабочее напряжение 6 вольт.
Печатная плата компьютерного CD-привода
В основном в компактной аппаратуре встречаются танталовые конденсаторы на 6,3 мкФ, 10 мкФ, 22 мкФ, 47 мкФ, 100 мкФ, 470 мкФ и на рабочее напряжение 10 — 16 вольт. Столь небольшое рабочее напряжение связано с тем, что напряжение источника питания в малогабаритной электронике редко превышает порог в 5 – 10 вольт. Конечно, есть и более высоковольтные экземпляры.
Кроме танталовых конденсаторов в миниатюрной электронике используются и полимерные для поверхностного монтажа. Такие конденсаторы изготавливаются с применением твёрдого полимера. Он выполняет роль отрицательной обкладки – катода. Плюсовым выводом – анодом – в полимерном конденсаторе служит алюминиевая фольга. Такие конденсаторы хорошо подавляют электрические шумы и пульсации, обладают высокой температурной стабильностью.
На танталовых конденсаторах указывается полярность, которую необходимо учитывать при их использовании в самодельных конструкциях.
Кроме танталовых конденсаторов в SMD корпусах есть и выводные с танталовым диэлектриком. Их форма напоминает каплю. Отрицательный вывод маркируется полосой на корпусе.
Такие конденсаторы также обладают всеми преимуществами, что и танталовые для поверхностного монтажа, а именно низким током утечки, высокой температурной и частотной стабильностью, более высоким сроком эксплуатации по сравнению с обычными конденсаторами. Активно применяются в телекоммуникационном оборудовании и компьютерной технике.
Выводной танталовый конденсатор ёмкостью 10 микрофарад и рабочее напряжение 16 вольт
Среди электролитических конденсаторов есть и неполярные. Выглядят они, так же как и обычные электролитические конденсаторы, но для них не важна полярность приложенного напряжения. Они применяются в схемах с переменным или пульсирующим током, где использование полярных конденсаторов невозможно. К неполярным относятся конденсаторы с маркировкой К50-6. Отличить полярный конденсатор от неполярного можно, например, по отсутствию маркировки полярности на его корпусе.
Полярные и неполярные конденсаторы — в чем отличие
Всевозможные типы конденсаторов, используемые сегодня практически всюду в электронике и электротехнике, в качестве диэлектрика содержат различные вещества. Однако, что касается конкретно электролитических конденсаторов, в частности также танталовых и полимерных, то для них при включении в схему важно строгое соблюдение полярности. Если такой конденсатор включить в цепь неправильно, то он не сможет нормально работать. Данные конденсаторы называются поэтому полярными.
В чем же заключается принципиальное отличие полярного конденсатора от неполярного, почему одним конденсаторам все равно как быть включенными в схему, а другим принципиально важно соблюдение полярности? В этом и попробуем сейчас разобраться.
Дело здесь в том, что процесс изготовления электролитических конденсаторов сильно отличается от, скажем, керамических или полипропиленовых. Если у последних двух как обкладки, так и диэлектрик однородны по отношению друг к другу, то есть нет различия в структуре на границе обкладка-диэлектрик с обеих сторон диэлектрика, то электролитические конденсаторы (цилиндрические алюминиевые, танталовые, полимерные) имеют различие в структуре перехода диэлектрик-обкладка с двух сторон диэлектрика: анод и катод отличаются по химическому составу и физическим свойствам.
Когда изготавливают электролитический алюминиевый конденсатор, то не просто скручивают в рулон две одинаковые обкладки из фольги, проложенные пропитанной электролитом бумагой.
Со стороны анодной обкладки (на которую подается +) присутствует слой оксида алюминия, нанесенный на травленую поверхность фольги особым способом. Анод призван отдавать электроны через внешнюю цепь катоду в процессе заряда конденсатора.
Отрицательная обкладка (катод) — просто алюминиевая фольга, на нее в процессе заряда приходят электроны по внешней цепи. Электролит здесь служит проводником ионов.
Так же обстоит дело и с танталовыми конденсаторами, где в качестве анода служит порошок тантала, на котором формируется пленка пентаоксида тантала (анод связан с оксидом!), несущего функцию диэлектрика, затем идет слой полупроводника — диоксида марганца в качестве электролита, затем серебряный катод, с которого будут уходить электроны в процессе разряда.
Полимерные электролитические конденсаторы в качестве катода используют легкий проводящий полимер, а в остальном все процессы аналогичны. Суть — окислительная и восстановительная реакции, как в аккумуляторной батарее. Анод окисляется во время электрохимической реакции разрядки, а катод восстанавливается.
Когда электролитический конденсатор заряжен, то имеет место избыток электронов на его катоде, на минусовой обкладке, сообщающий как раз отрицательный заряд этой клемме, а на аноде — недостаток электронов, дающий положительный заряд, таким образом получаем разность потенциалов.
Если заряженный электролитический конденсатор замкнуть на внешнюю цепь, то избыточные электроны побегут от отрицательно заряженного катода к положительно заряженному аноду, и заряд будет нейтрализован. В электролите положительные ионы движутся в этот момент от катода к аноду.
Если включить такой полярный конденсатор в цепь неправильно, то описанные реакции не смогут нормально протекать, и конденсатор не будет нормально работать. Неполярные же конденсаторы могут работать в любом включении, поскольку в них нет ни анода, ни катода, ни электролита, и их обкладки взаимодействуют с диэлектриком одинаково, ровно как и с источником.
А что если под рукой есть только полярные электролитические конденсаторы, а нужно осуществить включение конденсатора в цепь тока с меняющейся полярностью? Для этого существует одна хитрость. Нужно взять два одинаковых полярных электролитических конденсатора, и соединить их между собой последовательно одноименными клеммами. Получится один неполярный конденсатор из двух полярных, емкость которого будет в 2 раза меньше каждого из двух его составляющих.
На этой основе, кстати, изготавливают неполярные электролитические конденсаторы, в которых слой оксида присутствует на обеих обкладках. По этой причине неполярные электролитические конденсаторы имеют значительно больший размер, чем полярные аналогичной емкости. Основываясь на данном принципе, изготавливают также электролитические пусковые неполярные конденсаторы, рассчитанные на работу в цепях переменного тока частотой 50-60 Гц.
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам
Как сделать из полярного конденсатора неполярный и в чем их отличие между собой
Если вы занимаетесь ремонтом радиотехники, то должны знать о том, что конденсаторы бывают полярными и неполярными. И если у мастеров своего дела проблем с заменой конденсаторов не возникает, то вот у новичков, чаще всего всё наоборот.
Многие из них задаются вопросами о том, можно ли заменить неполярный конденсатор полярным, и что будет? Как известно, основное отличие полярных конденсаторов от неполярных заключается в том, что у них присутствует плюс и минус. То есть, полярный конденсатор нужно впаивать только строго с соблюдением полярности, а иначе он обязательно взорвётся.
В свою очередь при установке неполярных конденсаторов нет нужды придерживаться полярности. Такие конденсаторы не имеют плюса и минуса, в схеме они обозначаются буквами «NP» – неполярный конденсатор. Соответственно назревает вопрос, а можно ли заменить неполярные конденсаторы полярными?
Принцип работы конденсатора
После подключения конденсатора к постоянному источнику питания, на его обкладках начинает накапливаться энергия. После накопления полного заряда, благодаря слою диэлектрика прерывается протекание электрического тока.
Когда отключен источник питания, в конденсаторе и на его выводах остается напряжение. Поскольку такой элемент имеет разную полярность, он может накапливать как положительную, так и отрицательную энергию.
На практике можно заметить, что работа конденсатора предусматривает различные утечки с потерями, несмотря на его предназначение.
Маркировка
Существует три основных параметра, характеризующие конденсатор: показатель номинальной емкости, допуска и штатного напряжения. В большинстве случаев применяется два метода маркировки – буквенно-числовой и числовой.
В первом случае буква обозначает величину емкости (μ, nF, pF) и играет роль десятичной запятой. Например, если неполярный конденсатор имеет маркировку 1 μ, значит это деталь с емкостью 1 мкф, а надпись 3μ3 – 3,3 мкФ.
Для обозначения допуска может использоваться буквенная кодировка, ее расшифровка представлена на рисунке 8.
Рисунок 8. Расшифровка буквенной маркировки допуска
Рабочее напряжение емкости также может обозначаться буквенным кодом, ниже приведена его раскодировка.
Таблица: расшифровка буквенной маркировки допустимого напряжения
Емкости небольшого размера, например, в SMD исполнении принято маркировать трехзначным цифровым кодом.
Трехзначный цифровой код параметра емкость
Чтобы не запоминать все значения таблицы, воспользуйтесь следующим правилом расшифровки: значения приводятся в пикофарадах, первое и второе значение – мантисса, третье – степень с основанием 10. Например, надпись 331 будет означать 330 пФ (33*10).
Предназначение конденсатора
Электролитические конденсаторы широко применяются в качестве фильтров в блоках питания. Также их можно использовать, если сгорел пусковой конденсатор. Емкость конденсатора зависит от нагрузки. Конденсаторы также применяются в фильтрах низких, высоких частот. Они позволяют разводить частоты, не используя при этом активные элементы.
Пленочные конденсаторы устанавливают последовательно с применением питающего устройства. Их часто можно увидеть в блоках питания для маленьких устройств, например радиоприемниках. С помощью конденсаторов можно снизить нагрузку на устройство, предотвратив его перегревание.
Как проверить неполярный конденсатор мультиметром
Эксплуатация радиоэлектроники подразумевает и устранение неисправностей в оборудовании. Поэтому, рассматривая неполярные емкости, нельзя абстрагироваться от темы диагностики их работоспособности.
Как показывает практика, в большинстве случаев причиной выхода из строя емкости является пробой, что приводит к уменьшению сопротивления утечки. То есть, элемент становится, практически, проводником. Такую неисправность часто можно определить по внешнему виду емкости (см. рисунок 5), если это не помогло, потребуется простейший цифровой или аналоговый мультиметр.
Рисунок 5. «Выгоревшая» (пробитая) емкость
С помощью прибора следует замерить сопротивление утечки, в рабочих элементах оно должно быть бесконечно большим. Проверка выполняется следующим образом:
- необходимо полностью демонтировать деталь, или отпаять один из ее выводов, чтобы исключить влияние других элементов цепи на показания мультиметра;
- устанавливаем на приборе режим прозвонки или измерения сопротивления (выбираем максимальный предел);
- подключаем щупы к выходным контактам (рисунок 6), при этом стараемся не прикасаться к ним, в противном случае прибор покажет сопротивление кожи;
Рисунок 6. Подключение емкости к измерительному прибору
Проводим измерение, если емкость исправна на экране отобразится единица (рисунок 7), что свидетельствует о бесконечно большом сопротивлении между обкладками.
Рисунок 7. Прибор в режиме прозвонки показывает бесконечно большое сопротивление
К сожалению, данным способом можно только проверить емкость на пробой, для определения внутреннего обрыва такой метод не подходит. В этом случае отличить поломанную деталь от работоспособной, можно измерив ее емкость, некоторые модели мультиметров имеют такую функциональную возможность. Принцип проверки практически не отличается от тестирования на пробой, за исключением того, что прибор необходимо перевести в режим измерения емкости.
Как провести замену конденсатора
Если конденсатор вышел из строя нужно найти ему замену. Для этого нужно выпаять нерабочий элемент и на его место поставить новый.
Но довольно часто такая простая процедура усложняется тем, что найти полностью соответствующий оригиналу конденсатор довольно сложно. Однако в таких ситуациях его можно заменить другим, с учетом нескольких условий.
- Для начала нужно учитывать напряжение. Если нет элемента с подходящим номиналом, лучше приобретать конденсатор с большим напряжением. Например, если на оригинале указано 30 В, необходим аналог с напряжением 40, 50, 65, 100 В. Должно быть увеличение. Аналоги с меньшим напряжением не подходят, поскольку они не выдержат нагрузку и взорвутся. Чтобы получить необходимое напряжение можно последовательно соединить несколько конденсаторов.
- Второе, что нужно учитывать – емкость. Зачастую, если это электролитические конденсаторы, то можно воспользоваться вариантами с большей от оригинала емкостью. Если не удалось найти конденсаторы с нужным или большим номиналом, можно параллельно поставить несколько элементов с меньшей емкостью и получить желаемый номинал.
Провести замену и найти аналог вышедшего из строя конденсатора довольно просто. Для этого необходимо знать особенности каждого вида конденсатора, его предназначение.
При выборе аналога обязательно учитывается максимальное напряжение, уровень емкости. Неправильно подобранный аналог не даст желаемого результата и придет в негодность.
В чем отличие полярного и неполярного конденсатора
Основное отличие между этими двумя типами заключается в структуре диэлектрика, точнее, в его границе с обкладкой. Для наглядности предлагаем рассмотреть рисунок 1, где изображен неполярный керамический конденсатор.
Рисунок 1. Устройство керамической емкости в SMD корпусе
Обозначение элементов конструкции:
- А – контактные электроды;
- В – покрытие;
- С – диэлектрик;
- D – внутренние электроды.
Как видно из рисунка, граница между диэлектриком и обкладкой однородная, соответственно, и взаимодействие между ними одинаковое. Поэтому данный тип элементов не требует соблюдения полярности при монтаже.
Что касается электролитических (полярных) емкостей, то в них структура перехода между обкладкой и диэлектриком отличается для каждой из сторон последнего (катода и анода). Причем различия выражаются как в физических свойствах, так и химическом составе. Для примера рассмотрим, как устроены танталовые электролитические емкости.
Устройство танталового конденсатора полярного типа
Обозначения:
- А – метка, маркирующая анодный контакт;
- В – контактная пластина анода;
- С – внутренний анод на основе гранулированного тантала, в качестве диэлектрика выступает оксид этого химического элемента (Та2О5), формирующийся в процессе работы;
- D – электролит из диоксида марганца (MnO2);
- Е – внутренний катод (смесь серебра и графита);
- F – адгезив на основе серебра, соединяющий внутренний катод с контактной пластиной;
- G – контактная пластина катода;
- H – компаундное покрытие.
При монтаже данного типа емкости необходимо соблюдать полярность. В противном случае элемент не будет выполнять свои функции. Поэтому использовать электролитические емкости можно только в цепи постоянного тока (или импульсного). Применение в цепи переменного напряжения также допустимо, если включение электролитов отвечает определенным условиям. Можно ли заменить электролит неполярной емкостью, расскажем ниже.
Замена неполярных конденсаторов полярными — что нужно знать?
На самом деле, если под рукой нет неполярного конденсатора, а есть только полярные конденсаторы, то можно произвести их замену по следующей схеме:
- Сначала нужно определить, где именно на плате плюс, а где минус, и затем уже впаивать полярный конденсатор, соблюдая полярность;
- Использовать схему из двух полярных конденсаторов, вместо одного неполярного конденсатора.
Второй способ наиболее предпочтителен, ведь именно он позволяет новичку не углубляться слишком далеко в изучение схемы питания. Достаточно соединить два полярных конденсатора вместе, чтобы получить один неполярный конденсатор.
Соединяются два полярных конденсатора плюсами, а минусу уходят в схему. В итоге получается один неполярный конденсатор.
Например, нам нужно заменить один неполярный конденсатор на 5 мкФ, но его нет под рукой. Тогда мы берём два полярных конденсатора по 10 мкФ, соединяем их плюсами, а минусами впаиваем в плату. Соблюдать при этом полярность нет необходимости, ведь мы из двух полярных конденсаторов получили один неполярный конденсатор.
Особенности полярных изделий
Основное различие рассматриваемых модификаций конденсаторных изделий состоит в технологии изготовления перехода, образуемого на границе раздела двух контактов. У неполярных электролитов нет существенных отличий в характере сред, располагающихся по обеим сторонам раздела обкладки и диэлектрика. В полярных конденсаторах эти среды существенно различаются по своим физическим и химическим свойствам и образуют своеобразный переход с двумя полюсами (плюс и минус).
Полярные конденсаторы имеют специфические отличия от неполярных аналогов, прежде всего, в части своей конструкции и методики сборки при их массовом производстве. В их основу могут закладываться следующие хорошо известные проводящие материалы:
- Алюминиевая плёнка (фольга);
- Танталовый порошок;
- Современные полимеры.
Рассмотрим каждый из указанных типов более подробно.
Алюминиевые электролиты
Для изготовления ЭК на основе алюминия используются две обкладки из фольгированной плёнки, между которыми размещается бумажный слой, пропитанный электролитом. Со стороны одной из обкладок, называемой анодной (на неё подается плюс питания) имеется слой окисла или оксида алюминия, особым способом нанесенный на предварительно протравленную поверхность плёнки.
Обратите внимание! Анод обеспечивает эмиссию электронов во внешнюю электрическую цепь, которые в процессе заряда электролита перемещаются по ней в сторону катода.
Схема полярного ЭК
Отрицательный полюс или катод делается из «чистой» алюминиевой фольги, на поверхности которой в процессе перезарядки скапливаются электроны, поступающие из внешней электрической цепи. Бумажная прокладка или электролит выполняет в данном случае функцию среды, проводящей ионы и восстанавливающей электрический баланс в системе.
Электролиты на основе тантала
Аналогичным образом устроены танталовые конденсаторы, в которых в качестве анодного материала применяется порошок, на основе которого формируется особая оксидная плёнка. Последняя выполняет функцию диэлектрика, за которым следует полупроводниковый слой из диоксида марганца (он играет роль электролита). С другой стороны к нему примыкает посеребрённый катод, являющийся приёмником электронов, попадающих на эту обкладку в процессе разрядки.
Изделия из полимеров
В конденсаторах этого типа в качестве катода используется токопроводящий полимерный материал, все же остальные протекающие в них процессы аналогичны тем, что были описаны выше. Суть происходящих в них явлений – это реакции окислительно-восстановительного характера, подобные тем, что протекают в аккумуляторных батареях.
Дополнительная информация. В результате этих реакций анод при разрядке окисляется, а катод, напротив, восстанавливается.
В заряженном ЭК на его отрицательной обкладке присутствует избыток электронов, сообщающий этому контакту соответствующий заряд. На аноде, наоборот, наблюдается их недостаток, превращающий его в положительный полюс. Вследствие этого образуется разность потенциалов между обкладками полярного конденсатора, необходимая для его нормального функционирования в рабочей схеме.
Особенности конструкции и включения НЭК
Конструкция
В составе типовых изделий типа «НЭК» также присутствует раздел двух сред между обкладкой и диэлектриком. Но только в этом случае постоянного смещения электронных носителей на их обкладках не наблюдается. Добиться этого удаётся за счёт того, что в процессе производства алюминиевая обкладка, аналогичная той, что используется в полярном конденсаторе, окисляется с обеих сторон диэлектрика.
Конструкция НЭК
Вследствие этого такое изделие представляет собой аналог двух включённых встречно полярных электролитов, которые суммарно не имеют заряда на своих обкладках. Именно поэтому при их включении во внешнюю цепь не возникает необходимости в привязке к определённым схемным потенциалам. Благодаря этому, они могут работать на любых участках электрической цепи, обеспечивая при этом требуемые значения электролитической ёмкости.
Важно! В этом и состоит суть применения неполярных электролитов, которые востребованы в фильтрующих или времязадающих цепочках с большими номиналами ёмкостей.
Одновременно с выполнением последнего условия необходимости привязывать эти элементы к определённым напряжениям в конкретной схемной цепочке не возникает.
Такие особенности их собственной конструкции, как наличие окисной плёнки на обеих обкладках, приводит к усложнению состава всего изделия и увеличению его размеров. По этому принципу изготавливаются и другие модели НЭК, основное назначение которых – работа в цепях 220 Вольт со стандартными частотами 50-60 Герц.
Особенности включения
При некорректном включении полярного электролита (плюс и минус перепутаны местами) он не будет работать, как положено, поскольку нормальный режим зарядки и разрядки в этом случае невозможен. В отличие от них, неполярные электролитические изделия могут функционировать в любой схеме без соблюдения полярности их включения. Указанная возможность появляется вследствие того, что они не имеют ни положительно, ни отрицательно заряженных пластин (катода и анода).
В ситуации, когда требуется обеспечить неполярное подключение электролитических изделий, а под рукой имеются одни лишь полярные аналоги, единственно приемлемым вариантом является встречное включение двух элементов (смотрите рисунок ниже).
«Встречная» схема включения полярных изделий
В заключительной части обзора необходимо отметить ещё одну группу неполярных конденсаторов, в конструкции которых предусматриваются только обычные (неполяризованные) обкладки с размещённым между ними диэлектриком. Эти изделия не относятся к категории электролитов и устанавливаются в цепях в качестве разделительных, блокирующих и времязадающих элементов малой ёмкости.
Конденсатор
Электрический конденсатор (англ. capacitor) — это устройство, которое может накапливать электрический заряд и хранить его некоторое время. Конденсаторы можно найти практически в любом электронном устройстве. Они бывают разных типов и размеров.
На электрических схемах конденсаторы обозначают двумя параллельными черточками. При этом, у полярных конденсаторов около положительного электрода дополнительно ставится плюсик.
Для чего нужен конденсатор?
У этого прибора есть множество применений. Мы не будем перечислять их все, отметим лишь некоторые.
1) Фильтрация пульсаций в цепях питания. Конденсаторы часто ставят на входе и выходе преобразователей напряжения, на входе питания микросхем. В этом случае конденсаторы служат своего рода амортизаторами, которые могут сгладить неровности напряжения, подобно амортизаторам автомобиля, сглаживающим неровности дороги.
2) Времязадающие электрические цепи. Конденсаторы разной ёмкости заряжаются и разряжаются за разное время. Эту особенность используют в устройствах, где необходимо отсчитывать определенные промежутки времени. Например, с помощью резистора и конденсатора задается период и скважность импульса в микросхеме таймера 555 (урок про таймер 555).
3) Датчики прикосновения. В роли одной из обкладок конденсатора может выступить человек. Эту особенность нашего тела используют в своей работе сенсорные кнопки, тачскрины и тачпады некоторых видов.
4) Хранение данных. Конденсаторы применяются для хранения данных в оперативной памяти — ОЗУ (SRAM). Каждый модуль такой памяти содержит миллиарды отдельных конденсаторов, которые могут быть заряжены или разряжены, что интерпретируется как единица или ноль.
И это далеко не все варианты применения этого незаменимого прибора. Попробуем разобраться, как устройство конденсатора позволяет ему выполнять столько полезных функций!
Устройство простейшего конденсатора
Конденсатор состоит их двух металлических пластин — электродов, называемых также обкладками, между которыми находится тонкий слой диэлектрика.
Собственно, все конденсаторы устроены именно таким (или почти таким) образом, разве что меняется материал обкладок и диэлектрика.
Чтобы увеличить ёмкость конденсатора, не увеличивая его размеры, применяют разные хитрости. Например, если мы возьмем две обкладки в виде длинных полосок фольги, проложим между ними хотя бы тот же полиэтилен и свернем все это как рулет, то получится очень компактный прибор с большой ёмкостью. Именно так устроены плёночные конденсаторы.
Если вместо полиэтилена взять бумагу и пропитать её электролитом, то на поверхности фольги образуется тонкий слой оксида, который не проводит ток. Такой конденсатор будет называться электролитическим.
Существует много разных видов конденсаторов: бумажные, плёночные, оксидные алюминиевые и танталовые, вакуумные и т.п. В нашем уроке мы будем использовать оксидные электролитические конденсаторы из-за их большой ёмкости и доступности.
Полярные и неполярные конденсаторы
Очень важным является разделение конденсаторов на полярные и неполярные.
Приборы на основе оксидов: электролитические алюминиевые и танталовые обычно являются полярными, а значит если перепутать их полярность — они выйдут из строя. Причём этот выход из строя будет сопровождаться бурной электрохимической реакций вплоть до взрыва конденсатора.
На полярных конденсаторах всегда имеется маркировка. Как правило на электролитических конденсаторах на корпусе контрастной полосой отмечается отрицательный вывод (катод), у танталовых (в желтых прямоугольных корпусах) полоской помечается положительный вывод (анод). Если есть сомнения в маркировке, то лучше найти документацию на этот конденсатор и убедиться.
Неполярные же конденсаторы можно включать в цепь какой угодно стороной. К примеру, многослойные керамические конденсаторы — неполярные.
Ёмкость и напряжение конденсатора
Теперь обратим внимание на две важные характеристики конденсатора: ёмкость и номинальное напряжение.
Ёмкость конденсатора характеризует способность конденсатора накапливать заряд. Это как ёмкость банки, в которой хранится, к примеру, вода. Кстати, не зря одним из первых электрических конденсаторов была так называемая Лейденская банка. Она представляла собой обыкновенную стеклянную посуду, снаружи обмотанную фольгой. В банку была налита токопроводящая жидкость — электролит. Фольга и электролит играли роль обкладок, а стекло банки служило тем самым диэлектрическим барьером.
Ёмкость электрического конденсатора измеряют в фарадах. В схемах ёмкость обозначают латинской буквой C. Как правило, ёмкость классических конденсаторов варьируется от нескольких пикофарад (пФ) до нескольких тысяч микрофарад (мкФ). Ёмкость указывается на корпусе конденсатора. Если единицы не указаны — то это пикофарады. Микрофарады часто обозначают как uF — так как буква u внешне похожа на греческую букву мю, которую используют вместо приставки микро.
Существует и особый вид конденсаторов, называемых ионисторами (англ. supercapacitor), которые имеют ёмкость в несколько фарад! Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше энергии в нём может храниться и тем дольше он заряжается, при прочих равных условиях.
Номинальное напряжение — второй важный параметр. Это такое напряжение, при котором конденсатор будет работать весь срок службы без критичного изменения своих параметров. Нельзя применять в 12-вольтовой цепи конденсатор на 6 вольт — он быстро выйдет из строя.
Именно эти два параметра обычно наносят на поверхность корпуса конденсатора. На фотографии ниже изображён электролитический конденсатор ёмкостью 470 мкФ и номинальным напряжением 16 Вольт.
А вот на керамических конденсаторах часто указывают только ёмкость. На картинке ниже конденсатор имеет маркировку 104. Что бы это значило?
Последняя цифра в этом коде — количество нулей после двухзначного числа в начале. 104 = 10 0000 пФ = 100 нФ = 0,1 мкФ
Параллельное и последовательное подключение конденсаторов
Как и в случае резисторов, конденсаторы можно составлять в цепочки. Это бывает нужно, когда в схеме необходима какая-то конкретная ёмкость, а у вас нет такого конденсатора.
Параллельное подключение
В отличие от резисторов, при параллельном подключении конденсаторов их ёмкости складываются. Например, если нам нужно получить ёмкость 3000 мкФ, а у нас есть два конденсатора по 1000 мкФ, и 10 штук по 100 мкФ, смело ставим их параллельно и получаем: 1000*2+100*10 = 2000 + 1000 = 3000 мкФ
Последовательно подключение
При последовательном подключении конденсаторы ведут себя как резисторы, соединённые параллельно. Например, посчитаем суммарную ёмкость двух конденсаторов на 100 мкФ, соединённых последовательно:
Суммарная ёмкость Ctot = 50 мкФ.
Заряд и разряд конденсатора — RC-цепочка
Теперь разберёмся с процессами, происходящими внутри конденсатора во время заряда и разряда. Для этого рассмотрим самую простую электрическую цепь с конденсатором. С левой стороны схемы подключим источник питания. Сверху разместим ключ и резистор, а справа сам конденсатор. Участок цепи, на котором есть конденсатор и резистор называют RC-цепью.
При замыкании ключа, в такой цепи образуется электрический ток, сила которого зависит от сопротивления резистора и внутреннего сопротивления самого конденсатора. Заряженные частицы устремятся к конденсатору, но не смогут преодолеть слой диэлектрика (по крайней мере все разом). Вследствие чего, с одной стороны конденсатора накопятся отрицательно заряженные частицы, а с другой стороны — положительно заряженные. Концентрация заряженных частиц на обкладках создаст мощное электрическое поле между ними.
С течением времени, напряжение на конденсаторе растет, а сила тока падает. После завершения процесса заряда, ток в цепи упадет почти до нуля. Останется только очень маленький ток утечки, который образуется благодаря тому, что некоторым заряженным частицам всё же удается проскочить через слой диэлектрика. Напряжение, напротив, станет практически равным напряжению источника.
Когда мы отключим конденсатор от источника питания, этот самый ток утечки постепенно разрядит конденсатор. Эта особенность электрических конденсаторов не даёт нам сделать из них контейнер для длительного хранения энергии. Хотя частично эту проблему решают ионисторы.
Резистор и время заряда конденсатора
Зачем в цепи нужен резистор? Что на мешает подключить его напрямую к источнику? Тому есть две причины.
Резистор ограничивает ток, протекающий через конденсатор. Чем меньше заряженных частиц за единицу времени прибывает в конденсатор, тем больше времени для заряда ему потребуется.
Конденсатор заряжается и разряжается по экспоненциальному закону. Зная это, мы можем легко рассчитать время заряда/разряда в зависимости от его ёмкости и от сопротивления резистора.
По картинке можно понять, что за время T конденсатор заряжается на 63,2%. А вот за время 3T уже на 95%. Время T здесь равно произведению ёмкости конденсатора C на сопротивление R, последовательно соединенного резистора:
Например, у нас есть конденсатор ёмкостью 100 мкФ, соединенный с резистором 1 кОм. Посчитаем за сколько секунд он зарядится хотя бы до 95%:
Теперь умножаем это на 3 и получаем 3T = 0,3 секунды — за такое время конденсатор почти полностью будет заряжен.
Таким образом, меняя ёмкость конденсатора и резистора мы можем управлять временем его заряда, что нам ещё пригодится в будущем.
Вторая важная причина, по которой в цепи присутствует резистор — защита источника питания. Дело в том, что разряженные конденсаторы имеют очень низкое внутреннее сопротивление, которое составляет доли Ома. По сути, их можно рассматривать как обычные проводники. А что будет, если замкнуть выводы питания проводником? Будет короткое замыкание! Такой режим работы цепи является аварийным для источника питания, и его нужно всячески избегать.
Плавное выключение светодиода при помощи конденсатора
Проведем небольшой опыт. Для этого соберем на макетной плате цепь с кнопкой, конденсатором и светодиодом. В качестве источника питания используем контакты питания Ардуино Уно.
Принципиальная схема
Внешний вид макета
Подключим Ардуино к питанию. Затем, нажмем кнопку и светодиод практически мгновенно загорится. Отпустим кнопку — светодиод медленно начнет гаснуть. Почему так происходит?
Сразу после подключения нашей схемы к источнику питания, в ней начинают происходит интересные процессы.
Как уже говорилось ранее, пока конденсатор пустой, ток через него максимален. Следовательно, конденсатор начинает стремительно набирать заряд. При этом светодиоду, который подключен параллельно, ничего не достается �� Напряжение на нем близко к нулю.
С течением времени конденсатор насыщается, благодаря чему ток начинает постепенно переходить в параллельную цепь — через светодиод. Напряжение на светодиоде начинает расти. Наступает момент, когда напряжение на светодиоде принимает критическое значение (для красного светодиода около 1,8 В), при котором он стремительно отбирает остатки тока у конденсатора и вспыхивает!
Когда мы отпускаем кнопку, ситуация становится гораздо проще. Конденсатор становится источником питания для светодиода с резистором. Светодиод начинает медленно высасывать заряд из конденсатора, пока тот не разрядится. Тут мы и наблюдаем медленно угасание.
Меняя сопротивление R1, мы можем влиять на скорость вспыхивания светодиода. Однако, следует учитывать, что увеличивая R1 мы будем снижать ток в цепи, тем самым уменьшая максимальный заряд конденсатора и яркость светодиода.
Увеличивая C1, мы получим более длительное время работы светодиода после выключения источника. Это как поставить более ёмкую батарейку.
Наконец, меняя R2 можно регулировать яркость светодиода, и соответственно, время его работы. Ведь чем меньше тока мы забираем из конденсатора, тем на большее время его хватит.
К размышлению
Итак, мы познакомились с конденсатором — интересным и порой опасным жителем любой электронной платы. В следующих уроках уделим внимание резистору и индуктивности, а также более сложному их собрату — транзистору.