Конденсатор в цепи переменного тока – что нужно накапливать и для чего

Если вы рассмотрите печатную плату даже самого простого электронного устройства, то обязательно увидите конденсатор, а чаще всего встретите множество этих элементов. Присутствие этих изделий на различных электронных схемах объясняется свойствами данных радиоэлементов, широким диапазоном функций, которые они выполняют.

В настоящее время промышленность поставляет на рынок конденсаторную продукцию различных видов (рис. 1). Параметры изделий варьируются в широких пределах, что позволяет легко подобрать радиодеталь для конкретной цели.

Рис. 1. Распространённые типы конденсаторов

Рассмотрим более подробно конструкции и основные параметры этих вездесущих радиоэлементов.

Что такое конденсатор?

В классическом понимании конденсатором является радиоэлектронное устройство, предназначенное для накопления энергии электрического поля, обладающее способностью накапливать в себе электрический заряд, с последующей передачей накопленной энергии другим элементам электрической цепи. Устройства очень часто используют в различных электрических схемах.

Конденсаторы способны очень быстро накапливать заряд и так же быстро отдавать всю накопленную энергию. Для их работы характерна цикличность данного процесса. Величина накапливаемого электричества и периоды циклов заряда-разряда определяется характеристиками изделий, которые в свою очередь зависят от типа модели. Параметры этих величин можно определить по маркировке изделий.

Устройство

Конденсатор — для чего нужен, устройство и принцип работы

Устройство простейшего конденсатора включает в себя следующие компоненты:

• Корпус цилиндрической формы;
• Две обкладки – скрученные в рулон две полоски токопроводящего материала (алюминиевой или медной фольги);
• Слой диэлектрика (бумаги) между обкладками;
• Два электрода, припаянные к обкладкам и применяемые для соединения устройства с электрической цепью.

Как устроен простой конденсатор

Конструкция и принцип работы

Простейшим конденсатором являются две металлические пластины, разделённые диэлектриком. Выступать в качестве диэлектрика может воздушное пространство между пластинами. Модель такого устройства изображена на рис. 2.

Рис. 2. Модель простейшего конденсаторного устройства

Если на конструкцию подать постоянное напряжение, то образуется кратковременная замкнутая электрическая цепь. На каждой металлической пластине сконцентрируются заряды, полярность которых будет соответствоать полярности приложенного тока. По мере накопления зарядов ток будет ослабевать, и в определенный момент цепь разорвётся. В нашем случае это произойдёт молниеносно.

При подключении нагрузки накопленная энергия устремится через нагрузочный элемент в обратном направлении. Произойдёт кратковременный всплеск электрического тока в образованной цепи. Количество накапливаемых зарядов (ёмкость, C) прямо зависит от размеров пластин.

Единицу измерения ёмкости принятоназывать фарадой (Ф). 1 F – очень большая величина, поэтому на практике часто применяют кратные величины: микрофарады (1 мкФ = 10-6 F), нанофарады ( 1 нФ = 10-9 F = 10-3 мкФ), пикофарады (1 пкФ = 10-12 F = 10-6 мкФ). Очень редко применяют величину милифараду (1 мФ = 10-3 Ф).

Конструкции современных конденсаторов отличаются от рассматриваемой нами модели. С целью увеличения ёмкости вместо пластин используют обкладки из алюминиевой, ниобиевой либо танталовой фольги, разделённой диэлектриками. Эти слоеные ленты туго сворачивают в цилиндр и помещают в цилиндрический корпус. Принцип работы не отличается от описанного выше.

Существуют также плоские конденсаторы, конструктивно состоящие из множества тонких обкладок, спрессованных между слоями диэлектрика в форме параллелепипеда. Такие модели можно представить себе в виде стопки пластин, образующих множество пар обкладок, соединённых параллельно.

В качестве диэлектриков применяют:

• бумагу;
• полипропилен;
• тефлон;
• стекло;
• полистирол;
• органические синтетические плёнки;
• эмаль;
• титанит бария;
• керамику и различные оксидные материалы.

Отдельную группу составляют изделия, у которых одна обкладка выполнена из металла, а в качестве второй выступает электролит. Это класс электролитических конденсаторов (пример на рисунке 3 ниже). Они отличаются от других типов изделий большой удельной ёмкостью. Похожими свойствами обладают оксидно-полупроводниковые модели. Второй анод у них – это слой полупроводника, нанесённый на изолирующий оксидный слой.

Рис. 3. Конструкция радиального электролитического конденсатора

Электролитические модели, а также большинство оксидно-полупроводниковых конденсаторов имеют униполярную проводимость. Их эксплуатация допустима лишь при наличии положительного потенциала на аноде и при номинальных напряжениях. Поэтому следует строго соблюдать полярность подключения упомянутых радиоэлектронных элементов.

На корпусе такого прибора обязательно указывается полярность (светлая полоска со значками «–», см. рис. 4) или значок «+» со стороны положительного электрода на корпусах старых отечественных конденсаторов.

Рисунок 4. Обозначение полярности выводов

Срок службы электролитического конденсатора ограничен. Эти приборы очень чувствительны к высоким напряжениям. Поэтому при выборе радиоэлемента старайтесь, чтобы его рабочее напряжение было значительно выше номинального.

История

Прототип современного конденсатора был сконструирован в 1745 году одновременно двумя учеными: голландским физиком Питером ван Мушенбруком и немецким лютеранским клириком Эвальдом Юргеном фон Клейстом. Первый назвал свое изобретение «Лейденской банкой», второй – медицинской банкой. Сходство в названиях было неслучайным – устройство, как немца, так и голландца, представляло собой стеклянную банку с двумя оловянными обкладками, расположенными на ее наружной и внутренней поверхностях, с вставленной в горлышко пробкой из диэлектрика, которую пронизывал металлический стержень с цепью. Заряжалось такое устройство от очень популярной в те времена электрофорной машины. Накапливаемый при этом на обкладках заряд был небольшой – не более 1 микрокулона.

Изобретённые в 1745 году «банки» в течение последующих 200 лет практически не изменились. Только в середине 50-х годов XX века во время активного развития производства различных радиодеталей стали выпускаться первые накопители сравнительно небольших размеров. При этом они стали использоваться в различных бытовых приборах, электрическом инструменте, позднее – компьютерах.

К сведению. Современные радиодетали данного вида обладают большим разнообразием форм, размеров и характеристик: от самых больших и мощных ионисторов до мелких накопителей, применяемых в печатных платах компьютеров, в контроллерах бытовой техники.

«Лейденская банка» и современный накопитель заряда

Свойства

Из описания понятно, что для постоянного тока конденсатор является непреодолимым барьером, за исключением случаев пробоя диэлектрика. В таких электрических цепях радиоэлемент используется для накопления и сохранения электричества на его электродах. Изменение напряжения происходит лишь в случаях изменений параметров тока в цепи. Эти изменения могут считывать другие элементы схемы и реагировать на них.

В цепях синусоидального тока конденсатор ведёт себя подобно катушке индуктивности. Он пропускает переменный ток, но отсекает постоянную составляющую, а значит, может служить отличным фильтром. Такие радиоэлектронные элементы применяются в цепях обратной связи, входят в схемы колебательных контуров и т. п.

Ещё одно свойство состоит в том, что переменную емкость можно использовать для сдвига фаз. Существуют специальные пусковые конденсаторы (рис.5), применяемые для запусков трёхфазных электромоторов в однофазных электросетях.

Рис. 5. Пусковой конденсатор с проводами

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.

Основные параметры и характеристики

Ёмкость.

Важным параметром конденсатора является его номинальная ёмкость. Для плоского конденсатора справедлива формула:

С = (ε*ε0*S) / d,

где ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, S – размеры обкладок (площадь пластин), d – расстояние между пластинами (обкладками).

Реальная емкость отдельных элементов обычно невелика, но можно получить конструкцию ёмкостью в несколько фарад, если параллельно соединить огромное число обкладок. В этом случае реальная ёмкость равняется сумме всех ёмкостей обкладок.

Максимальные емкости некоторых конденсаторов могут достигать нескольких фарад.

Удельная ёмкость.

Величина, характеризующая отношение ёмкости к объёму или к массе радиодетали. Данный параметр важен в микроэлектронике, где размеры деталей очень важны.

Номинальное напряжение.

Одной из важных электрических характеристик является номинальное напряжение – значение максимальных напряжений, при которых конденсатор может работать без потери значений других его параметров. При превышении критической величины равной напряжению пробоя происходит разрушение диэлектрика. Поэтому номинальное напряжение подбирают заведомо большее любых возможных максимальных амплитуд синусоидального тока в цепи конденсатора.

Существуют характеристики, такие как тангенс угла потерь, температурный коэффициент ёмкости, сопротивление утечки, диэлектрическая абсорбция и др., которые интересны только узким специалистам, а их параметры можно узнать из специальных справочников.

Схематическое изображение

Внешне он выглядит как две обкладки, которые разделяются диэлектриком. Чем большую площадь имеют используемые пластины и чем они ближе, тем выше емкость конденсатора. Не зря вначале было применено слово «обкладки», ведь они внешне не всегда плоские. Так, в металлобумажных конденсаторах в качестве своеобразных пластин выступает алюминиевая фольга, которая свернута вместе бумажным диэлектриком в один плотный клубок (который повторяет форму металлического корпуса). Чтобы увеличить электрическую прочность, можно тонкую конденсаторную бумагу пропитать изолирующими составами (к примеру, трансформаторным маслом).

Данный вид конденсаторов может похвастаться емкостью, которая составляет несколько сотен микрофарад. По подобному принципу устроены и другие представители семейства этой детали электроники. А как проверить конденсатор и убедиться, что реальное положение дел соответствует надписям? Наиболее простой способ – воспользоваться цифровым мультиметром. Также ответ на вопрос, как проверить конденсатор, может дать омметр.

Классификация

Основные параметры конденсаторных изделий определяются типом диэлектрика. От материала зависит стабильность ёмкости, тангенс диэлектрических потерь, пьезоэффект и другие. Исходя из этого, классификацию моделей целесообразно осуществлять именно по виду диэлектрика.

По данному признаку различают следующие типы изделий:

• вакуумные;
• с воздушным диэлектриком;
• радиоэлементы, в которых диэлектриком является жидкость;
• с твёрдым неорганическим диэлектриком (стекло, слюда, керамика). Характеризуются малым током утечки;
• модели с бумажным диэлектриком и комбинированные, бумажно-плёночные;
• масляные конденсаторы постоянного тока;
• электролитические;
• категория оксидных конденсаторов, к которым относятся оксидно-полупроводниковые и танталовые конденсаторы;
• твёрдотельные, у которых вместо жидкого электролита используется органический полимер или полимеризованный полупроводник.

В твёрдотельных моделях срок службы больший, чем у жидко-электролитических и составляет около 50 000 часов. У них меньшее внутренне сопротивление, то есть ЭПС почти не зависит от температуры, они не взрываются.

Классифицируют изделия и по другому важному параметру – изменению ёмкости. По данному признаку различают:

• постоянные конденсаторы, то есть те, которые имеют постоянную емкость;
• переменные, у которых можно управлять изменением ёмкости механическим способом либо с помощью приложенного напряжения (варикапы и вариконды), а также путём изменения температуры (термоконденсаторы);
• класс подстроечных конденсаторов, которые используют для подстройки или выравнивания рабочих ёмкостей при настройке контуров, а также с целью периодической подстройки различных схем.

Все существующие конденсаторы можно условно разделить на общие и специальные. К изделиям общего назначения относятся самые распространённые низковольтные конденсаторы (см. рис. 6). К ним не предъявляют особых требований.

Рис. 6. Конденсаторы общего назначения

Все остальные ёмкостные радиоэлементы принадлежат к классу специального назначения:

• импульсные;
• пусковые;
• высоковольтные (см. рис. 7);
• помехоподавляющие,
• дозиметрические и др.;

Рис. 7. Высоковольтные конденсаторы
Изображённые на фото устройства могут работать в высоковольтных цепях сравнительно низкой частоты.

Ёмкость

Но какова бы ни была геометрия, зависимость не меняется — чем больше площадь обкладок и чем тоньше диэлектрический слой, тем больше ёмкость, и наоборот. Однако даже если обкладки совсем малы, а расстояние между ними достаточно велико, определённая ёмкость сохраняется. Так, например, конденсаторы небольшой ёмкости делают прямо на печатной плате, располагая две дорожки печатного монтажа напротив друг друга.

Впрочем, ёмкость (а также её стабильность, то есть способность не разряжаться) зависит и от диэлектрика. Любой материал, даже вакуум, в той или иной степени проводит электрический ток, что приводит к постепенной утечке заряда — саморазряду. Так что приходится соблюдать баланс — между ёмкостью и саморазрядкой, а также ценой, размером и другими факторами. Поэтому и существует множество типов и видов конденсаторов — используются разные диэлектрики и разные обкладки для разных, конкретных условий работы.

А что будет, если использовать конденсатор большей или меньшей ёмкости, чем требуется в данном случае? В большинстве случаев небольшое превышение ёмкости будет только на пользу. А вот использовать меньшую ёмкость не рекомендуется (как и, впрочем, сильно её превышать) — это может ухудшить работу всего устройства, да и сами конденсаторы долго не протянут.

Уточнение редактора

Маркировка

Для маркировки отечественных изделий применялась буквенная система. Сегодня распространена цифровая маркировка. В буквенной системе применялись символы:

• К – конденсатор;
• Б, К, С, Э и т. д – тип диэлектрика, например: К – керамический, Э – электролитический;
• На третьем месте стоял символ, обозначающий особенности исполнения.

В данной системе маркировки иногда первую букву опускали.

В новой системе маркировки на первом месте может стоять буква К, а после неё идёт буквенно-цифровой код. Для обозначения номинала, вида диэлектрика и номера разработки используют цифры. Пример такой маркировки показан на рисунке 8. Обратите внимание на то, что на корпусе электролитического конденсатора обозначена полярность включения.

• Ёмкость от 0 до 999 пФ указывают в пикофарадах, например: 250p:
• от 1000 до 999999 пФ – в нанофарадах: n180;
• от 1 до 999 мкФ – в микрофарадах: 2μ5;
• от 1000 до 999999 мкФ – в миллифарадах: m150;
• ёмкость, больше значения 999999 мкФ, указывают в фарадах.

Принцип работы конденсатора на конкретном примере

При подключении к конденсатору элемента питания (например, это может быть батарея «Крона») заряженные частицы из элемента питания перетекают в конденсатор и устремляются друг к другу через проводники.

Но поскольку между проводниками присутствует диэлектрик, то они не могут продолжить свое «путешествие» и остаются на проводниках «до востребования».

Между отрицательно и положительно заряженными частицами образуется электрическое поле, которое удерживает их, не позволяя «разбежаться».

Соединение конденсаторов

Существует два способа соединения: параллельное и последовательное. При параллельном соединении общая ёмкость равна сумме ёмкостей отдельных элементов: Собщ. = С1 + С2 + … + Сn.

Для последовательного соединения расчёт ёмкости рассчитывается по формуле: Cобщ. = ( C1* C2 *…* Cm ) / ( C1 + C2+…+Cn )

Чтобы быстро посчитать общую емкость соединенных конденсаторов лучше воспользоваться нашими калькуляторами:

1. https://www.asutpp.ru/kalkulyator-rascheta-posledovatelnogo-soedineniya-kondensatorov.html
2. https://www.asutpp.ru/kalkulyator-rascheta-parallelnogo-soedineniya-kondensatorov.html

Применение

Конденсаторы применяются почти во всех областях электротехники. Перечислим лишь некоторые из них:

• построение цепей обратной связи, фильтров, колебательных контуров;
• использование в качестве элемента памяти;
• для компенсации реактивной мощности;
• для реализации логики в некоторых видах защит;
• в качестве датчика для измерения уровня жидкости;
• для запуска электродвигателей в однофазных сетях переменного тока.

С помощью этого радиоэлектронного элемента можно получать импульсы большой мощности, что используется, например, в фотовспышках, в системах зажигания карбюраторных двигателей.