Конденсатор

Конденсатор – це електронний компонент, який зберігає електричний заряд. Конденсатор і двох близьких провідників (зазвичай пластин), розділених діелектричним матеріалом. Пластини накопичують електричний заряд під час підключення до джерела живлення. Одна пластина накопичує позитивний заряд, інша пластина - негативний.

Місткість - це кількість електричного заряду, що зберігається в конденсаторі при напрузі 1 Вольт.

Місткість вимірюється в одиницях Фарад (Ф).

Конденсатор відключає струм у ланцюгах постійного (DC) та коротке замикання у ланцюгах змінного (AC) струму.

Фотографії конденсатора

Позначення конденсаторів

Конденсатор

Поляризований конденсатор

Змінний конденсатор

Місткість

Ємність (C) конденсатора дорівнює електричному заряду (Q), поділеному на напругу (V):

C - ємність у фарадах (Ф)

Q – це електричний заряд у кулонах (Кл), який зберігається на конденсаторі.

V - напруга між пластинами конденсатора у вольтах (В)

Місткість пластин конденсатора

Ємність (C) пластин конденсатора дорівнює діелектричної проникності (ε), помноженої на площу пластини (A), поділену на зазор або відстань між пластинами (d):

C - ємність конденсатора у фарадах (Ф).

ε – діелектрична проникність діалектичного матеріалу конденсатора у фарадах на метр (Ф/м).

A - площа пластини конденсатора квадратних метрах (м 2 ).

d – відстань між пластинами конденсатора, в метрах (м).

Конденсатори послідовно

Сумарна ємність конденсаторів, послідовно включених, C1, C2, C3, .

Конденсатори паралельно

Сумарна ємність конденсаторів, включених паралельно, C1, C2, C3,.

Конденсаторний струм

Миттєвий струм конденсатора i _c (t) дорівнює ємності конденсатора,

помножене на похідну миттєвої напруги конденсатора v _c (t):

Напруга конденсатора

Миттєва напруга v _c (t) конденсатора дорівнює початковій напрузі конденсатора,

плюс 1/C, помножений на інтеграл миттєвого струму конденсатора i _c (t) за час t:

Енергія конденсатора

Накопичена в конденсаторі енергія E _C у джоулях (Дж) дорівнює ємності C у фарадах (F).

помножена на напругу квадратного конденсатора V _C у вольтах (В), поділене на 2:

Е _З = З × V _З 2 /2

Ланцюги змінного струму

Кутова частота

ω - кутова швидкість, виміряна в радіанах за секунду (рад/с)

f - Частота, виміряна в герцах (Гц).

Реактивний опір конденсатора

Імпеданс конденсатора

Z _C = X _C ∟-90º

Типи конденсаторів

Дивіться також:

Конденсатори для чайників

Якщо ви регулярно займаєтеся створенням електричних схем, ви, напевно, використовували конденсатори.Це стандартний компонент схем, такий же, як опір, який ви просто берете з полиці без роздумів. Ми використовуємо конденсатори для згладжування пульсацій напруги/струму, для узгодження навантажень, як джерела енергії для малопотужних пристроїв та інших застосувань.

Але конденсатор – це не просто бульбашка з двома проводочками та парою параметрів – робоча напруга та ємність. Існує величезний масив технологій та матеріалів з різними властивостями, що застосовуються для створення конденсаторів. І хоча в більшості випадків для будь-якого завдання згодиться практично будь-який конденсатор відповідної ємності, хороше розуміння роботи цих пристроїв може допомогти вам вибрати не просто щось потрібне, а найкраще. Якщо у вас була проблема з температурною стабільністю або завдання пошуку джерела додаткових шумів - ви оціните інформацію з цієї статті.

Почнемо з простого

Краще почати з простого та описати основні принципи роботи конденсаторів, перш ніж переходити до справжніх пристроїв. Ідеальний конденсатор складається з двох пластинок, що ведуть, розділених діелектриком. Заряд збирається на пластинах, але не може перетікати між ними – діелектрик має ізолюючі властивості. Так конденсатор нагромаджує заряд.

Місткість вимірюється у фарадах: конденсатор в один фарад видає напругу в один вольт, якщо в ньому знаходиться заряд в один кулон. Як і в багатьох інших одиниць системи СІ, у неї непрактичний розмір, тому, якщо не брати до уваги суперконденсатори, про які ми тут говорити не будемо, ви швидше за все зустрінетеся з мікро-, нано- та пікофарадами.Місткість будь-якого конденсатора можна вивести з його розмірів та властивостей діелектрика – якщо цікаво, формулу для цього можна подивитися у Вікіпедії. Запам'ятовувати її не потрібно, якщо ви не готуєтеся до іспиту – але в ній міститься один корисний факт. Ємність пропорційна діелектричній проникності ε_r використаного діелектрика, що призвело до появи у продажу різних конденсаторів, що використовують різні діелектричні матеріали для досягнення великих ємностей або поліпшення характеристик напруги.

Паразитні індуктивність та опір реального конденсатора

З використанням діелектриків в конденсаторах є одна проблемка, поряд з тим, що діелектрик з потрібними характеристиками має неприємні побічні ефекти. Всі конденсатори мають невеликі паразитні опір та індуктивність, які іноді можуть впливати на його роботу. Електричні постійні змінюються від температури та напруги, п'єзоелектрики чи шуму. Деякі конденсатори коштують надто дорого, у деяких є стани відмови. І ось ми підійшли до основної частини статті, в якій розповімо про різні типи конденсаторів, і про їх властивості, корисні та шкідливі. Ми не будемо висвітлювати всіх можливих технологій, хоча більшість звичайних ми опишемо.

Алюмінієві електролітичні

Алюмінієві електролітичні конденсатори використовують анодно-оксидований шар на алюмінієвому листі як одну пластину-діелектрик, і електроліт з електрохімічного осередку в якості іншої пластини.Наявність електрохімічного осередку робить їх полярними, тобто напруга постійного струму повинна прикладатися в одному напрямку, і анодована пластина повинна бути анодом або плюсом.

На практиці їх пластини виконані у вигляді сендвіча з алюмінієвої фольги, загорнутої в циліндр і розташованої в алюмінієвій банці. Робоча напруга залежить від глибини анодованого шару.

У електролітичних конденсаторів найбільша серед поширених ємність від 0,1 до тисяч мкФ. Через щільне пакування електрохімічного осередку у них спостерігається велика еквівалентна послідовна індуктивність (equivalent series inductance, ESI, або ефективна індуктивність), через що їх не можна використовувати на високих частотах. Зазвичай вони використовуються для згладжування живлення та розв'язування та зв'язування на аудіочастотах.

Танталові електролітичні

Танталовий конденсатор поверхневого розміщення

Танталові електролітичні конденсатори виготовляються у вигляді спеченого танталового анода з великою площею поверхні, на якій вирощується товстий шар оксиду, а потім як катод розміщується електроліт з діоксиду марганцю. Комбінація великої площі поверхні та діелектричних властивостей оксиду танталу призводить до високої ємності у перерахунку на об'єм. В результаті такі конденсатори виходять набагато менше алюмінієвих конденсаторів порівнянної ємності. Як і в останніх, танталові конденсатори мають полярність, тому постійний струм повинен йти в строго одному напрямку.

Їх доступна ємністю варіюється від 0,1 до кількох сотень мкф.У них набагато менший опір витоку та еквівалентний послідовний опір (ESR), у зв'язку з чим вони використовуються у тестуванні, вимірювальних приладах та високоякісних аудіопристроях – там, де ці властивості корисні.

У разі танталових конденсаторів необхідно особливо стежити, щоб вони не вийшли з ладу — буває, що в такому разі вони спалахують. Аморфний оксид танталу – хороший діелектрик, а кристалічній формі він стає хорошим провідником. Неправильне використання танталового конденсатора – наприклад, подача занадто великого пускового струму може призвести до переходу діелектрика в іншу форму, що збільшить струм, що проходить через нього. Щоправда, репутація, пов'язана з займаннями, з'явилася в ранніх поколінь танталових конденсаторів, і покращені методи виробництва призвели до створення більш надійної продукції.

Полімерні плівки

Ціле сімейство конденсаторів використовує полімерні плівки як діелектрики, а плівка або знаходиться між крученими або переміжними шарами металевої фольги, або має металізований шар на поверхні. Їхня робоча напруга може доходити до 1000 В, але високими ємностями вони не мають - це зазвичай від 100 пФ до одиниць мкФ. У кожного виду плівки є свої плюси та мінуси, але в цілому все сімейство відрізняється нижчими ємністю та індуктивністю, ніж у електролітичних. Тому вони використовуються у високочастотних пристроях і для розв'язування електрично шумних системах, а також в системах загального призначення.

Поліпропіленові конденсатори використовуються у схемах, що вимагають хорошої теплової та частотної стабільності.Також вони використовуються в системах живлення, для придушення ЕМП, у системах, що використовують змінні струми високої напруги.

Поліестерові конденсатори, хоч і не мають таких температурних і частотних характеристик, виходять дешевими і витримують великі температури при паянні для поверхневого монтажу. У зв'язку з цим вони використовуються у схемах, призначених для використання у некритичних додатках.

Поліетилен-нафталатові конденсатори. Не мають стабільних температурних і частотних характеристик, але можуть витримувати набагато більші температури і напруги в порівнянні з поліестеровими.

Поліетилен-сульфідові конденсатори мають температурні та частотні характеристики поліпропіленових, і на додаток витримують високі температури.

У старому устаткуванні можна натрапити на полікарбонатні та полістиренові конденсатори, але зараз вони вже не використовуються.

Кераміка

Історія керамічних конденсаторів досить довга - вони використовувалися з перших десятиліть минулого століття і сьогодні. Ранні конденсатори являли собою один шар кераміки, металізованої з обох боків. Пізніші бувають і багатошаровими, де пластини з металізацією та кераміка перемежовуються. Залежно від діелектрика їх ємності варіюються від 1 пФ до десятків мкФ, а напруги досягають кіловольт. У всіх галузях електроніки, де потрібна мінімальна ємність, можна зустріти як одношарові керамічні диски, так і багатошарові пакетні конденсатори поверхневого монтажу.

Найпростіше класифікувати керамічні конденсатори діелектриками, оскільки саме вони надають конденсатором всі властивості.Діелектрики класифікують за трилітерними кодами, де зашифрована їхня робоча температура і стабільність.

C0G найкраща стабільність у ємності по відношенню до температури, частоти та напруги. Використовуються у високочастотних схемах та інших контурах високої швидкодії.

X7R не мають таких хороших характеристик за температурою і напругою, тому використовуються в менш критичних випадках. Зазвичай це розв'язування та різні універсальні програми.

Y5V мають набагато більшу ємність, але характеристики температури і напруги у них ще нижче. Також використовуються для розв'язування та в різних універсальних додатках.

Оскільки кераміка часто має і п'єзоелектричні властивості, деякі керамічні конденсатори демонструють і мікрофонний ефект. Якщо ви працювали з високою напругою та частотами в аудіодіапазоні, наприклад, у випадку лампових підсилювачів або електростатики, ви могли почути, як «співають» конденсатори. Якщо ви використовували п'єзоелектричний конденсатор для забезпечення частотної стабілізації, ви могли виявити, що його звук модулюється вібрацією оточення.

Як ми вже згадували, стаття не ставить за мету охопити всі технології конденсаторів. Поглянувши в каталог електроніки, ви виявите, що деякі технології, що є в наявності, тут не освітлені. Деякі пропозиції з каталогів вже застаріли, або мають таку вузьку нішу, що з ними найчастіше і не зустрінешся. Ми сподівалися лише розвіяти деякі таємниці з приводу популярних моделей конденсаторів і допомогти вам у виборі відповідних компонентів при розробці власних пристроїв. Якщо ми розігріли ваш апетит, ви можете вивчити нашу статтю щодо котушок індуктивності.

Про виявлені вами неточності та помилки прошу писати через особисті повідомлення сайту. Дякую.

Вся правда про конденсатори: чарівні властивості загадкових баночок

Чи був найкращий час для ентузіастів та любителів Hi-Fi, ніж кінець 1970-х та початок 1980-х років? З одного боку, багато чого відбувалося з розвитком цифрового аудіо, а з іншого — спостерігалося зростання суб'єктивізму. Раптом програвачі та підсилювачі стали оцінювати не за рівнем детонації, вихідною потужністю та гармонійними спотвореннями, а за їх звучанням! І можна було навіть серйозно говорити про звучання кабелів. У цій новій атмосфері все, що колись вважалося само собою зрозумілим в галузі Hi-Fi, стало кандидатом на переоцінку.

Пильне вивчення зазнало і впливу на звук пасивних електронних компонентів - резисторів, індуктивностей і конденсаторів. Особливо конденсаторів. Обізнані люди почали обговорювати такі явища як еквівалентний послідовний опір (ESR) та діелектричне поглинання.

Сьогодні ми не часто чуємо про цю тему, але не тому, що проблема була вичерпана. Швидше за все, розробники нині приділяють таку ж пильну увагу використовуваним пасивним компонентам, як і схемам, у яких застосовуються, отже громадський фурор кілька стих.

Ази

У найпростішому вигляді конденсатор і двох металевих пластин, розділених повітрям (чи, ще краще, вакуумом) і схематично зображений на рис. 1. Оскільки між пластинами немає провідного шляху, конденсатор блокує постійний струм (наприклад, від батареї). При цьому конденсатор, навпаки, пропускає сигнали змінного струму якраз такі як звукові хвилі.

Мал. 1.Компоненти, з яких складається конденсатор - дві провідні пластини, розділені шаром діелектрика.

Перевірене рішення

Ми нечасто стикаємося з повітряними конденсаторами, але якщо ви зазирали всередину старого лампового радіоприймача і бачили елемент, що відповідає за налаштування, що складається з металевих пластин, що чергуються, це якраз повітряний конденсатор змінної ємності. У більшості конденсаторів, з якими ми стикаємося в аудіотехніці та іншій електроніці, як ізолюючий матеріал (діелектрик), що розділяє пластини, не використовується повітря, оскільки він має низьку діелектричну постійну (1,0), а це означає, що повітряні конденсатори великої ємності надто громіздкі, щоб бути практичними. З цієї причини використовуються в основному тверді діелектрики, з більш високими діелектричними властивостями, у тому числі з кераміки та різних видів пластмас (наприклад, ПВХ з діелектричною проникністю 4,0). Саме тут історія стає особливо цікавою, оскільки для всіх цих діелектриків характерні ті чи інші компроміси щодо впливу на звук, тоді як повітря практично ідеальне.

Прості фільтри

Для початку дізнаємося більше про те, як поводяться конденсатори і для чого вони використовуються. Конденсатори блокують постійний струм та пропускають змінний, проте вони не пропускають змінний струм з різною частотою однаково. Це пояснюється тим, що конденсатори мають реактивний опір, який знижується зі збільшенням частоти (до речі, котушки індуктивності теж мають реактивний опір, який, навпаки, збільшується зі зростанням частоти).

Таким чином, конденсатори пропускають високочастотні сигнали легше, ніж низькочастотні, що робить їх вкрай корисними в частотно-селективних ланцюгах (тобто у фільтрах), а також для усунення небажаних сигналів (наприклад, гул або шум із шини постійної напруги).

Прості фільтри верхніх та нижніх частот показані на рис.2. У фільтрі верхніх частот (мал. 2а) послідовно включений конденсатор підключений до шунтуючого резистори.

2. RC-фільтр першого порядку верхніх (2a) та нижніх (2b) частот.

Отже, конденсатори часто використовуються для об'єднання ланцюгів, відділення небажаного шуму в ланцюгах постійної напруги та в частотно-селективних ланцюгах (фільтрах). . 3 показаний типовий джерело живлення, що включає понижувальний трансформатор (він знижує напругу мережі), мостовий випрямляч (який перетворює змінний струм з трансформатора в імпульсний постійний струм) та пару конденсаторів-резервуарів (що згладжують пульсації після випрямлення змінного струму).

Рис.3. Принципова схема двонапівперіодного джерела живлення, що складається з понижуючого трансформатора, двонапівперіодного мостового випрямляча і двох резервуарних конденсаторів.

Подібні схеми зустрічаються у багатьох твердотільних аудіокомпонентах.

Місткість резервуарних конденсаторів, що використовуються в транзисторних підсилювачах потужності, може досягати 50 000 мкФ і більше, тоді як в інших випадках у схемі можуть використовуватися конденсатори ємністю 1 НФ (одна тисячна мікрофарада) або навіть менше. Таким чином, очевидно, деякі типи конденсаторів краще підходять під певні завдання, ніж інші.

Важливе уточнення

Як правило, найбільші резервуарні конденсатори є електролітичними, адже вони забезпечують високу ємність у порівняно невеликому обсязі. Такі конденсатори містять електроліт (рідина або гель), що хімічно реагує з металевою фольгою всередині банки, утворюючи шар діелектрика. Подібні електролітичні конденсатори, а також деякі інші - наприклад, танталові, називаються полярними, а недотримання полярності підключення може призвести до їхнього виходу з ладу.

Інший різновид - неполярні конденсатори, які можна підключати без урахування полярності. Подібні електроліти іноді використовувалися в пасивних кросоверах акустичних систем, проте така практика сьогодні застаріла, оскільки плівкові конденсатори справляються із цим завданням краще, хоч і займають більше місця.

Конденсатори також можуть мати різне розташування висновків - аксіальне (осьове) або радіальне. Перевага радіальних електролітів полягає в тому, що вони займають менше площі на платі, проте їх мінус у тому, що вони збільшують її висоту. У великих електролітичних конденсаторах зазвичай відмовляються від висновків під паяння - на користь гвинтових клем.

Що приховують конденсатори

Справжні конденсатори, як і справжні політики, поводяться не ідеально, і тут криється причина їхнього впливу якість звуку. По-перше, на практиці жоден конденсатор не є лише ємністю – він також має індуктивність та опір. На важливій схемі конденсатор зазвичай позначається однією з символів на рис. 4 (всі вони візуально відсилають до двох розділених пластин), проте насправді він є щось на зразок схеми, представленої на рис. 5. Резистор позначений малюнку як ESR (еквівалентний послідовний опір) може бути постійним — опір може залежати від частоти. У випадку з електролітичними конденсаторами ESR зазвичай зменшується з частотою.

Мал. 4. Варіанти позначення конденсаторів на схемі

Одним з наслідків того, що конденсатори мають індуктивність (ESL або еквівалентну послідовну індуктивність на рис. 6), є те, що вони, по суті, є електрично резонансними. Якщо проаналізувати імпеданс конденсатора залежно від частоти, він продовжуватиме зменшуватися зі зростанням частоти. На рис. 6 показано, що імпеданс досягає мінімуму (еквівалентного значення ESR) на резонансній частоті, а потім, у міру збільшення частоти, він знову починає зростати через ESL.

Мал. 5. Схематичний еквівалент реального конденсатора демонструє паразитний опір (ESR) та індуктивність (ESL). 6. Паразитна індуктивність призводить до того, що конденсатори мають електричний резонанс, іноді — в межах чутного діапазону частот.

Великі електролітичні конденсатори частоти електричного резонансу зазвичай знаходяться в межах звукового діапазону.У невеликих конденсаторів частоти електричного резонансу можуть перевищувати 1 МГц. Для збільшення частоти електричного резонансу для заданої ємності слід зменшити послідовну індуктивність ESL.

Для досягнення цієї мети при розробці електролітичних конденсаторів, де така проблема стоїть найбільш гостро, застосовуються різні методи. Наприклад, у конденсаторах DNM T-Network для зниження індуктивності використовуються спеціальні Т-подібні сполуки з фольги — таким чином, їх резонансна частота більш ніж удвічі вища порівняно зі стандартною конструкцією (від 28 кГц до 75 кГц — у прикладі, який наводить компанія DNM на своєму веб-сайті).

ESR надає потенційно сприятливий вплив на демпфування електричного резонансу конденсатора, однак, на відміну від індуктивності або ємності, опір генерує тепло в той час, коли через конденсатор проходить струм. У великих ємнісних конденсаторах, де струми, що проходять через них, великі, цей ефект внутрішнього нагріву обмежує безпечні умови експлуатації. Проте електролітичні конденсатори найкраще працюють саме теплими.

Мікрофонний ефект

Не секрет, що лампове обладнання чутливе до вібрації. Усередині вакуумованої скляної оболонки лампи знаходяться тонкі металеві електроди, відстань між якими впливає роботу лампи. Таким чином, якщо струсити лампу досить сильно, це відіб'ється на її електричній потужності — ефект, який називають «мікрофонним», оскільки лампа в такому разі поводиться як мікрофон.

Твердотільна електроніка менше схильна до цього ефекту, проте наведемо приклад якийсь крайній випадок: розробники перших систем управління двигуном в гоночних автомобілях незабаром навчилися не прикріплювати електронні блоки до двигуна, або використовувати хорошу ізоляцію, інакше вібрації від двигуна могли порушити її роботу. Рівні вібрації, які зазнає Hi-Fi обладнання при повсякденному використанні, набагато нижчі, проте деякі виробники, серед яких, наприклад, Naim Audio, як і раніше, докладають великих зусиль, щоб звести до мінімуму ймовірний вплив мікрофонного ефекту.

Здатність конденсатора накопичувати заряд (його ємність) пропорційна площі пластин і обернено пропорційна відстані між ними, а «пластини» зазвичай є тонкою фольгою з тонкими шарами діелектрика між ними. Це призводить до того, що конденсатори схильні до впливу мікрофонного ефекту, оскільки через вібрацію відстань між пластинами і, отже, значення ємності може змінюватися.

Таким чином, фізичні властивості матеріалів, з яких виготовлений конденсатор, можуть бути такими ж важливими, як і електричні параметри. Але що ще цікавіше, вібрація ззовні не є необхідною умовою для того, щоб конденсатори страждали від її впливу, адже сили, що формуються напругою та струмами всередині самого конденсатора, також можуть викликати механічні резонанси. Через це можна навіть почути, як деякі конденсатори видають звук, коли через них проходить сигнал. У кросовері акустичної системи, де рівні вібрацій, напруги та струми високі, є «ідеальний шторм» факторів, які роблять вибір відповідного конденсатора особливо важливим завданням.

Ключові слова

Проблема мікрофонного ефекту та механічних резонансів конденсаторів активно обговорювалася протягом багатьох років, проте досліджень із цього питання було досить мало. Принаймні мало опублікованих досліджень. Але ті, що існують, підтверджують думку, що цей ефект може мати помітний вплив якості звучання.

До того ж, у деяких випадках конденсатори можуть призводити до надзвичайно високих рівнів гармонічних та інтермодуляційних спотворень. Розуміння того, як і чому це відбувається, дозволяє розробникам зосередити свої зусилля на доопрацюванні електронної схеми та ретельному виборі електронних компонентів таким чином, щоб це принесло найбільшу користь.