Виды конденсаторов и их характеристики. Типы конденсаторов, их характеристики и назначение

На сегодняшний день существует множество типов конденсаторов и каждый из них обладает своими преимуществам и недостатками.
Одни могут работать при высоких напряжениях, другие обладают большой ёмкостью, третьи малой утечкой, четвёртые малой индуктивностью - эти факторы определяют область применения конденсаторов конкретного типа.
В этой статье будут рассмотрены основные, но далеко не все типы конденсаторов.

Алюминиевые электролитические конденсаторы .

Алюминиевые электролитические конденсаторы, состоят из двух скрученных тонких алюминиевых полосок, между которыми помещается бумага, пропитанная электролитом. Ёмкость этого типа конденсаторов может быть от 0.1uF до 100 000uF, что является их главным преимуществом перед другими типами, а максимальное рабочее напряжение может доходить до 500V. Максимальное рабочее напряжение и ёмкость обычно указываются на конденсаторе, максимальное рабочее напряжение конденсатора, изображенного на картинке, составляет 35 вольт , а ёмкость или заряд приходящийся на 1 вольт, составляет 680uF . Недостатком этого типа конденсаторов является относительно высокий ток утечки и то, что ёмкость их уменьшается с ростом частоты, именно поэтому на платах часто можно встретить алюминиевый электролитический конденсатор, параллельно которому ставят керамический или как горят “шунтируют керамикой”. Также надо сказать, что этот тип конденсаторов имеет полярность, это значит, что вывод конденсатора, обозначенный минусом на корпусе, должен всегда находиться под более отрицательным напряжением, чем другой вывод конденсатора. При несоблюдении этого правила конденсатор скорее всего взорвётся и именно поэтому применять их можно только в цепях с постоянным и пульсирующим током, но не переменным.

Танталовые конденсаторы .

Танталовые конденсаторы изготавливаются из пентаоксида тантала и схожи по свойствам с алюминиевыми электролитическими конденсаторами, но обладают некоторыми особенностями. Они меньшего размера, максимальное рабочее напряжение до 100V, ёмкость этого типа конденсаторов может быть от 47nF до 1000uF, обладают меньшей индуктивностью и могут применяться в более высокочастотных схемах, работающих на частотах в сотни Khz. К недостаткам можно отнести чувствительность к превышению рабочего напряжения. Надо отметить, что в отличии от алюминиевых электролитических конденсаторов, линией на корпусе помечают плюсовой вывод.

Керамические однослойные дисковые конденсаторы .

Дисковые керамические конденсаторы обладают достаточно большой ёмкостью при их размерах, она может быть от 1pF до 220nF, а максимальное рабочее напряжение не должно превышать 50V. Значение ёмкости на данном типе конденсаторов указывается в pF, например ёмкость конденсатора изображенного на картинке равна 100 000 pF или 100nF или 0.1uF, данное значение получается следующим образом, первые две цифры надо умножить на 10, возведенную в степень третьей цифры, в нашем случае надо 10 х 10^4 = 10^5 или 100 000pF. К достоинствам можно отнести, незначительные токи утечки, небольшие габаритные размеры, низкую индуктивность и способность работать на высоких частотах, а также высокую температурную стабильность ёмкости. Могут работать в цепях постоянного, переменного, пульсирующего тока.

Керамические многослойные конденсаторы

Керамические многослойные конденсаторы представляет собой структуру с чередующимися тонкими слоями керамики и металла.
Этот тип конденсаторов схож по свойствам с однослойными дисковыми, но обладает в несколько раз большей ёмкостью, достигающей нескольких uF. Максимальное рабочее напряжение на корпусе этих конденсаторов не указывается и так же как для однослойных дисковых, не должно превышать 50V. Могут работать в цепях постоянного, переменного, пульсирующего тока.

Керамические высоковольтные конденсаторы

Преимущество этого типа конденсаторов понятно из названия, их отличительной особенностью является способность работать под высоким напряжением. Диапазон рабочих напряжений от 50 до 15000V, а ёмкость может 68pF до 150nF. Максимальное напряжение конденсатора, изображенного на картинке конденсатора равно 1000V, а ёмкость 100nF, выше описывалось как её узнать. Могут работать в цепях постоянного, переменного, пульсирующего тока.

Полиэстеровые конденсаторы .

Ёмкость этого типа конденсаторов может быть от 1nF до 15uF, диапазон рабочих напряжений от 50 до 1500V. Они изготавливаются с разными допуском(допустимое отклонение номинальной ёмкости), 5%, 10% и 20%, обладают высокой температурной стабильностью, достаточно большой ёмкостью при их размерах, низкой ценой и как следствие находят широкое применение. Ёмкость конденсатора, изображенного на картинке равна 150 000pF или 150nF, буква К после числа 154 означает допуск, то есть на сколько реальное значение ёмкости может отличаться от указанной на конденсаторе. В данном случае допуск составляет 10%, подробнее об этом будет написано ниже. Нас больше интересует, что в маркировке этого конденсатора означает 2J и чему равно его максимальное рабочее напряжение. Для того чтобы ответить на два эти вопроса можно воспользоваться таблицей, буквенной маркировки напряжения.

Полипропиленовые конденсаторы .

В конденсаторах этого типа в качестве диэлектрика применяется полипропиленовая плёнка, а их ёмкость может быть от 100pF до 10uF. Одним из главных преимуществ этого типа конденсаторов является высокое рабочее напряжение, которое может достигать 3000V, также преимуществом является возможность изготовления этого типа конденсаторов с допуском в 1%. На картинке изображён конденсатор ёмкость которого 5600pF, а максимальное рабочее напряжение равно 630V. Буква J после числа 562 обозначает допуск и в данном случае он равен 5%. Допуск можно определить, пользуясь таблицей, изображенной ниже.

Содержание:

Конденсатор - это прибор, способный накапливать электрические заряды. Он применяется в электрических и электронных схемах повсюду. Современная промышленность выпускает множество их видов, которые отличаются друг от друга по разным параметрам. Это емкость, принцип работы, тип разделения зарядных проводников, диапазон допустимых напряжений, компоновка, материалы, из которых устройство изготовлено.

Любой конденсатор состоит из двух проводников, разделенных изолятором. Так как зарядка конденсатора - это занесение заряженных частиц на эти проводники, причем на один проводник одного знака, на другой - другого, а удерживаться будут заряды силой взаимного притяжения, то эффективность и зависит от этой силы. Она тем больше, чем ближе проводники друг к другу и чем больше их «почти соприкасающаяся» площадь. Разделяющая проводники среда тоже дает свой вклад. Среда эта - диэлектрик, имеющий определенную диэлектрическую проницаемость.

d – толщина диэлектрика, разделяющего металлические пластины

Емкость конденсатора вычисляется по формуле

Где S – площадь обкладок, d – толщина диэлектрика (расстояние между обкладками), а ε – проницаемость используемого диэлектрика относительно вакуума, диэлектрическая проницаемость которого известна довольно точно:

Здесь она выражена через другие единицы системы СИ. Здесь и метры в кубе в знаменателе, и секунды в четвертой степени в числителе, что произошло от формулы, где в знаменателе стоит скорость света в квадрате. И тогда емкость C и измеряется в фарадах.

И из формулы видно, что емкость и зависит как раз от площади обкладок, расстояния между ними (которое заполнено диэлектриком) и материала диэлектрика, значение ε которого можно найти по таблицам. Классификация конденсаторов делается по виду использования, по типу компонент.

Классификация по принципу действия

Самый простой конденсатор еще называется сухим, или твердотельным, потому что все материалы его твердые и самые обыкновенные. Зная описание, его можно изготовить вручную. В качестве изолятора берется бумажная лента, но так как она гигроскопична, то ее пропитывают парафином или маслом.

Сухие конденсаторы

Сухие или мокрые конденсаторы - зависит от заполнения между пластинами. Для сухих это может быть бумага, керамика, слюда, пластик (полиэстер, полипропилен). У каждого из диэлектриков свои физические свойства. Наиболее прочные (керамика) хорошо сопротивляются физическому разрушению и пробою. Пластичные допускают наносить обкладки в виде металлического напыления прямо на слой диэлектрика, что позволяет идти по пути микроминиатюризации.

Типы конденсаторов с другими состояниями компонентов

Кроме твердого диэлектрика, бывают конденсаторы с диэлектриком:

• жидким;

• газообразным (наполненные инертным газом для защиты электродов);

• вакуумным;

• воздушным.

Однако и электроды бывают не всегда вполне твердые.

Электролитические конденсаторы

Для создания большой емкости используют методы сближения обкладок не механические, а химические. Пользуясь тем, что алюминиевая фольга всегда на воздухе покрывается слоем диэлектрика (Al 2 O 3), к алюминиевому электроду вплотную приближают жидкий электрод в виде электролита. Тогда толщина изолирующего промежутка исчисляется атомными расстояниями, и это резко увеличивает емкость.

d – толщина диэлектрика

Так как на нижней поверхности верхней обкладки имеется слой оксида, диэлектрика, то именно его толщину и следует считать d - толщиной диэлектрика. Нижним электродом является нижняя обкладка, плюс слой электролита, которым пропитана бумага.

В электролитических конденсаторах заряд создается не только свободными электронами металла, но еще и ионами электролита. Поэтому важна полярность подключения.

Кроме электролитических конденсаторов, использующих в качестве изоляции оксид металла, по такому же принципу работают полевые (МОП) транзисторы. Они в электронных схемах часто и используются в качестве конденсаторов, имеющих емкость в несколько десятков нанофарад.

Еще аналогичный принцип работы у конденсаторов оксидно-полупроводниковых, в которых вместо жидкого электролита - твердый полупроводник. Но этими типами не исчерпываются конденсаторы, слой диэлектрика у которых имеет микроскопическую толщину.

Суперконденсатор, или ионистор

Возможен еще вариант создания слоя, играющего роль диэлектрика, в жидком электролите. Если залить им поверхность некоего пористого проводника (активированного угля), то при наличии на нем заряда ионы противоположного знака из электролита «прилипают» к проводнику. А к ним, в свою очередь, присоединяются другие ионы. И все вместе образует многослойную конструкцию, способную накапливать электрические заряды.

Процессы в жидком электролите особого состава для суперконденсаторов уже напоминают нечто, что происходит в электролитах аккумуляторов. Ионистор и по своим характеристикам приближается к аккумуляторам, кроме того, его зарядка проходит легче и быстрее. И в них в циклах зарядки/разрядки не происходит порчи электродов, как это обычно бывает в аккумуляторах. Ионисторы более надежные, долговечные, и ими как устройствами питания оснащают электротранспортные средства. А пористое вещество электродов дает просто колоссальную площадь поверхности. Вместе с наноскопически малой толщиной изолирующего слоя в электролите это и создает гигантскую емкость суперконденсаторов (ультраконденсаторов) - фарады, десятки и сотни фарад. Выпускается множество различных суперконденсаторов, некоторые по виду не отличаются от аккумуляторов.

Классификация по применению

Большинство конденсаторов изготовляются для использования в отлаженных, настроенных электрических схемах и цепях. Но во многих схемах производится настройка электрических или частотных параметров. Конденсаторы для этой цели очень удобны: можно менять емкость без изменения электрических контактов между обкладками.

По этому признаку конденсаторы бывают постоянными, переменными и подстроечными.

Подстроечные обычно исполняются в миниатюрном виде и предназначены для постоянной работы в схемах после небольшой предварительной оптимизирующей подстройки. Переменные имеют более широкие диапазоны параметров, чтобы проводить систематическую настройку (например, поиск волны в радиоприемнике).

По диапазону напряжений

Диапазон рабочих напряжений - очень важная характеристика конденсатора. В электронных схемах напряжения обычно небольшие. Верхняя граница - около 100 вольт. Но схемы электропитания, различные блоки питания, выпрямители, стабилизаторы приборов требуют установки конденсаторов, которые могли бы выдерживать напряжения до 400–500 вольт - с учетом возможных всплесков, и даже до 1000 вольт.

Но в сетях передачи электроэнергии напряжения бывают гораздо выше. Существуют высоковольтные конденсаторы специального исполнения.

Использование конденсатора вне его диапазона напряжений грозит пробоем. После пробоя устройство становится просто проводником и свои функции выполнять перестает. Особенно это опасно там, где конденсатор устанавливается для развязки схем по току, как отделяющий постоянное напряжение от переменной составляющей. В этом случае пробой грозит той части схемы, куда после этого хлынет постоянное напряжение: могут гореть другие элементы, может быть поражение электрическим током. Для электролитических конденсаторов это явление грозит еще и взрывом.

Слева – до 35 кВ, справа – до 4 кВ

Так как для пробоя на высоком напряжении нужен определенный минимум расстояния между проводниками, обычно для высоковольтного исполнения приборы и выполняются значительными по размерам. Или бывают изготовлены из определенных стойких к пробою материалов: керамические и … метало-бумажные. Разумеется, все в соответствующем по свойствам корпусе.

Маркировка конденсаторов

Существует несколько маркировок. Старая маркировка может состоять из трех или четырех цифр, в этом случае первые две (три) цифры означают мантиссу емкости (в пикофарадах), последняя цифра дает степень множителя-десятки.

Так выглядит трехзначная маркировка конденсаторов (обозначение емкостей)

Как видим, такая маркировка охватывает только емкость конденсаторов.

Кодовая маркировка содержит информацию и о материалах, и о напряжениях, и о допусках.

На больших конденсаторах обозначения располагают прямо на корпусе.

При отсутствии обозначений, касающихся напряжения, это низковольтный прибор. Встречаются условные буквенные обозначения напряжений.

Полярность обозначается «+ -» или канавкой кольцевого вида около минусового вывода. При наличии этого обозначения полярность соблюдать неукоснительно!

Конденсатор – устройство, способное накапливать электрический заряд. В зависимости от назначения и конструкции конденсаторы делятся на ряд видов.В статье рассмотрим основные электрические параметры конденсаторов.

Электрические параметры конденсаторов

Основные характеристики и единицы их измерения приведены в таблице

Фарада – физическая величина, названная в честь английского физика Майкла Фарадея. Она слишком велика для использования в электротехнике. На практике емкость измеряют в микрофарадах (1мкФ = 10 -6 Ф), нанофарадах (1нФ = 10 -9 Ф) или пикофарадах (1пФ=10 -12 Ф)

При нанесении величины емкости на корпус конденсатора для обозначения «нФ» дополнительно используют символы «nF», «пФ» — «рФ», а микрофараду обозначают сокращением «мкФ» или «μФ».

Емкость конденсаторов не может принимать произвольные значения. Они унифицированы и выбираются из стандартных рядов емкостей.

Допустимое отклонение емкости указывает, с какой точностью изготовлен конденсатор. Она указывает, в каком допустимом диапазоне может находиться величина емкости в процентах от номинала. Для измерительных устройств этот параметр выбирается как можно меньшим.

Номинальное напряжение – это напряжение, которое выдерживают обкладки конденсатора длительное время. При превышении этого параметра конденсатор выйдет из строя. Для переменного тока руководствуются не действующим, а амплитудным значением напряжения. Например, при выборе конденсатора для пуска электродвигателя на номинальное напряжение 380 В нужно использовать конденсатор на рабочее напряжение U>380∙√2=537, то есть, на 600 В.

Температурная стабильность характеризует диапазон, в котором изменяется емкость при изменении температуры окружающей среды. Для устройств, сохраняющих работоспособность в широком диапазоне температур, значение этого параметра выбирается более низким.

Конструктивные исполнения конденсаторов

Конденсаторы, емкость которых не может изменяться, называются конденсаторами постоянной емкости .

Но в некоторых цепях для обеспечения возможности регулировки работы схемы и установки точных параметров ее работы применяются подстроечные конденсаторы . Емкость их изменяется при помощи отвертки.

В отличие от них конденсаторы переменной емкости применяются для выполнения пользовательских регулировок, например, для настройки радиоприемника на нужную волну.

Существуют конденсаторы специального назначения. Например, конденсаторы для защиты от радиопомех и сглаживающих фильтров, располагающихся парами в одном корпусе.

Отдельно выделяются конденсаторы для поверхностного монтажа или . Они технологичны для монтажа на автоматических конвейерных линиях, а размеры позволяют минимизировать габаритные размеры устройств.

Классификация конденсаторов по виду диэлектрика

Воздух в качестве диэлектрика использовался только для конденсаторов переменной емкости старого образца. Чем меньше материал между обкладками конденсатора проводит электрический ток, тем меньших размеров может быть изготовлен этот элемент на то же рабочее напряжение. При использовании определенных материалов можно получить конденсаторы с необходимыми свойствами.

В зависимости от материала диэлектрика между обкладками выпускаются конденсаторы:

Из всего этого перечня самыми распространенными в электротехнике являются бумажные и металлобумажные конденсаторы, использующиеся для схем запуска однофазных двигателей и для компенсации реактивной мощности. Всем известны электролитические конденсаторы, используемые в выпрямителях для сглаживающих фильтров. Их главная особенность – невозможность работы на переменном токе.

При ошибках в полярности подключения электролитических конденсаторов они выходят из строя, иногда – со взрывом. То же произойдет при превышении номинального напряжения электролитического и металлобумажного конденсатора, так как они выпускаются в герметичных корпусах.

Условные обозначения конденсаторов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Назначение и использование конденсаторов

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

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

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

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

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

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

Электрический конденсатор - один из самых распространених радио элементов, служит он для накопления электроэнергии (заряда). Самый простой конденсатор можно представить в виде двух металлических пластин (обкладок) и диэлектрика который находится между ними.

Когда к конденсатору подключают источник напряжения, то на его обкладках (пластинах) появляются противоположные заряды и возникнет электрическое поле притягивающие их друг к другу, и даже после отключения источника питания, такой заряд остается некоторое время и энергия сохраняется в электрическом поле между обкладками.

В электронных схемах роль конденсатора также может состоять не только в накоплении заряда но и в разделения постоянной и переменной составляющей тока, фильтрации пульсирующего тока и разных других задачах.
В зависимости от задач и факторов работы, конденсаторы используются очень разных типов и конструкций. Здесь мы рассмотрим наиболее популярные типы конденсаторов.

Конденсаторы алюминиевые электролитические

Керамические однослойные конденсаторы

Керамические многослойные конденсаторы

Например К10-17А или К10-17Б.
В отличии от вышеописанных, состоят уже из нескольких слоев металлических пластин и диэлектрика в виде керамики, что позволяет иметь им большую ёмкость чем у однослойных и может быть порядка нескольких микрофарад, но максимальное напряжение у данного типа все также ограничено 50 вольтами.
Применяются в основном как фильтрующие элементы и могут исправно работать как с постоянным так и с переменным и пульсирующим током.

Керамические высоковольтные конденсаторы

Танталовые конденсаторы

Твердотельный танталовый конденсатор состоит из четырех основных частей: анода, диэлектрика, электролита (твердого или жидкого) и катода.
По рабочим свойствам танталовые конденсаторы схожи с электролитическими, но рабочее максимальное напряжение ограничено 100 вольтами, а ёмкость как правило не превышает 1000 мкФ.
Но в отличии от электролитических, у данного типа собственная индуктивность намного меньше что дает возможность их использования на высоких частотах, до несколько сотен килогерц.

Полиэстеровые конденсаторы

Полипропиленовые конденсаторы

Преимущество этих конденсаторов заключается не только в высоком напряжении, но и в чрезвычайно низком тангенсе угла потерь, поскольку tg? может не превышать 0,001, что позволяет использовать конденсаторы на больших частотах в несколько сотен килогерц и применять их в индукционных обогревателях и пусковых установках асинхронных электродвигателей.

Пусковые конденсаторы (CBB-60) могут иметь ёмкость и до 1000мкф что стает возможным из за особенностей конструкции такого типа конденсаторов. На пластиковый сердечник наматывается металлизированная полипропиленовая пленка, а сверху весь этот рулон покрывается компаундом.