Что это и для чего нужны конденсаторы?

Конденсатор называется элементом электронной системы, способным накапливать электрический заряд. Современные конденсаторы имеют небольшие размеры и полностью специализированы. Однако история этих устройств интересна. А именно, создание первого конденсатора произошло в некотором смысле случайно. Это произошло в Лейдене, Нидерланды, в 1746 году.

В то время один из сотрудников был парализован в местном университете во время перезарядки электрической воды. Это произошло потому, что он держал мокрую бутылку. Он смог сделать соответствующие выводы из этого события, и поэтому произошло строительство первого в мире конденсатора.

Прототип конденсатора не похож на сегодняшние конденсаторы. Он имел форму пробкового стеклянного сосуда. Медная проволока была подведена к центру сосуда через пробку. Когда провод вступил в контакт с телом, заряды начали поступать в бутылку, и стены были загружены. Позже начались работы по улучшению конденсатора. И так ввели, среди прочего обертывание стен снаружи и внутри сосуда цинковой фольгой.

Из названия города, в котором он был изобретен, первый конденсатор известен как «бутылка Лейдена».

Конденсатор называется системой из двух проводников, между которыми находится диэлектрический слой. Направляющие в этой конструкции называются крышками конденсаторов.

Основным размером, характеризующим конденсаторы, является емкость конденсатора C. Он определяет способность конденсатора накапливать электрический заряд и зависит от геометрической конфигурации крышек и электрической проницаемости диэлектрика между крышками.

Это константа пропорциональности в уравнении, иллюстрирующая взаимную зависимость заряда q, накопленного на крышках, от разности потенциалов V между ними.

Это константа пропорциональности в уравнении, иллюстрирующая взаимную зависимость заряда q, накопленного на крышках, от разности потенциалов V между ними

Емкость выражается в единицах, называемых Фарадами F. На практике, однако, вводятся меньшие единицы, такие как микрофарады и пикофарады.

Таким образом, если напряжение U приложено к конденсатору, то электрический заряд накапливается на крышках конденсатора. Ценность собранного груза на каждой обложке одинакова. Они отличаются только знаком. Этот процесс накопления электрического заряда на крышках конденсатора называется зарядкой конденсатора.

Емкость конденсатора зависит главным образом от типа используемого диэлектрика, а также от размеров конденсатора.

Эта емкость производителями конденсаторов называется номинальной емкостью. Второй тип емкости называется фактической емкостью конденсатора.

Номинальная вместимость представлена ​​производителями в виде серий чисел, которые называются сериями. Они представлены, например, как серии E6, E12 и т. Д. Цифры рядом с буквами соответствуют количеству мощностей в отдельные десятилетия вместимости. Каждая серия имеет заданное значение допуска.

Значение допуска дается для каждого конденсатора. Это связано с производственным рассеянием. Может случиться, что данный конденсатор не имеет номинального значения емкости. Тем не менее, он должен быть в заданном диапазоне отклонения. Это то, что означает терпимость.

Другим параметром конденсатора является номинальное напряжение. Это максимальное значение напряжения, которое может быть приложено к конденсатору. Если подключено более высокое напряжение, произойдет явление, называемое пробой диэлектрика. Это приведет к закорачиванию конденсатора. Какое будет номинальное значение напряжения для данного конденсатора, зависит от типа диэлектрика и его толщины.

Чем толще диэлектрик, тем выше номинальное напряжение.

Следующий параметр - ток утечки. Это значение прямого тока, который возникает, когда на клеммы конденсатора подается постоянное напряжение.

Каждый конденсатор также имеет определенное сопротивление импульсному напряжению. Это значение определяет максимальное значение частоты зарядки и разрядки конденсатора. Если ток очень высокий, он может даже расплавиться и испарить электроды. Значение сопротивления для данного конденсатора зависит от условий, в которых оно было определено. Значения могут быть разными для разных методов.

Простейшим примером конденсатора является плоский конденсатор. Он имеет форму двух параллельных крышек, выполненных из направляющей, между которыми расположен диэлектрический слой. Формула для емкости такого конденсатора примет вид:

Формула для емкости такого конденсатора примет вид:

где A - зона покрытия a d - расстояние между ними. в то время как где A - зона покрытия a d - расстояние между ними относительная электрическая проницаемость данного диэлектрика.

Как правило, конденсаторы не появляются отдельно, но они объединены в более крупные системы. Они могут быть соединены последовательно или параллельно или смешанным способом.

В последовательно соединенных конденсаторах абсолютное значение заряда на каждой из пластин одинаково.

Результирующее напряжение тогда равно сумме напряжений на отдельных компонентных конденсаторах.

Таким образом, общая мощность системы будет определяться формулой:

+ + ....

Однако в случае параллельного подключения разность потенциалов на каждом из конденсаторов одинакова. Таким образом, общая нагрузка будет равна сумме зарядов на конденсаторах, а итоговая емкость будет суммой отдельных емкостей:

Таким образом, общая нагрузка будет равна сумме зарядов на конденсаторах, а итоговая емкость будет суммой отдельных емкостей:

Таким образом, в случае последовательного соединения, заряды на каждом из конденсаторов имеют одинаковое значение, а общее напряжение равно сумме напряжений на отдельных компонентных конденсаторах. Каждое количество подключенных конденсаторов можно заменить одним элементом. Тем не менее, он не может изменить напряжение или количество нагрузок. Следовательно, емкость сменного элемента и, в принципе, его обратная величина равна сумме обратной величины емкости компонентных конденсаторов.

Если конденсаторы подключены параллельно, то значение напряжения на каждом из конденсаторов одинаково. С другой стороны, полезная нагрузка от отдельных конденсаторов добавляется. И, как и прежде, любое количество параллельно подключенных конденсаторов можно заменить одним элементом, чтобы заряд и напряжение не менялись. Для поддержания этих значений емкость заменяющего элемента должна быть равна сумме емкости компонентных конденсаторов.

На сегодняшний день выпускаются три основных типа конденсаторов. Поэтому они могут быть:

- керамические конденсаторы

- электролитические конденсаторы

- пластиковые конденсаторы

Конденсаторы первого типа - это керамические конденсаторы. Он может иметь только один диэлектрический слой, и тогда он называется однослойным, или он может состоять из нескольких слоев, а затем он называется многослойным конденсатором. Диапазон емкости керамических конденсаторов составляет от 0,5 пФ до сотен мФ. Тем не менее, конденсаторы с менее чем 10 мФ являются наиболее распространенными.

Три класса керамических материалов могут быть использованы в керамических конденсаторах. Первой группой являются керамические материалы, которые имеют низкую диэлектрическую проницаемость. Они чрезвычайно стабильны. Таким образом, температура, частота или напряжение оказывают на них небольшое влияние. Их можно использовать в системах, где требуется высокая стабильность. Если они являются однослойными конденсаторами, их емкость составляет от 0,47 до 560 пФ. Однако многослойные конденсаторы имеют емкость от 0,1 до 10 мФ.

Вторая группа керамических материалов - это материалы с высокой диэлектрической проницаемостью. Они характеризуются нелинейной зависимостью от температуры, частоты и напряжения. Эта группа материалов содержит очень большое количество диэлектриков, имеющих различные свойства. Процесс старения этой группы керамических материалов происходит со скоростью 1-5% в течение 10 лет.

Если они являются однослойными конденсаторами, они имеют емкость в диапазоне от 0,1 до 100 мФ, а если они многослойные, они имеют емкость от 10 пФ до 10 мФ.

Конденсаторы с диэлектриками второго класса используются в условиях низких температур или других параметров.

Третья группа керамики содержит сегнетоэлектрические вещества. Их структура характеризуется появлением так называемых домены, между которыми существует небольшое значение емкости. По параметрам параметры материалов этого класса аналогичны материалам второго класса. Однако они определенно менее устойчивы к изменениям напряжения и высоким значениям напряжения. Очень часто самое высокое напряжение, при котором может работать такой конденсатор, уже составляет 50 В. Они характеризуются очень высокой диэлектрической проницаемостью, и поэтому конденсаторы с большой емкостью можно использовать при изготовлении небольших и дешевых компонентов.

Конденсаторы с диэлектриками третьей группы могут иметь емкость от 1000 пФ до 1 мФ.

Керамические конденсаторы обычно используются в высокочастотных цепях. Они могут быть элементами резонансных цепей, а также использоваться для связи, фильтрации и блокировки.

Следующим классом конденсаторов являются слюдяные конденсаторы. Мика - это минерал, который характеризуется чрезвычайно высокой твердостью, но его легко разделить на плитки. Структура слюдяных конденсаторов аналогична конструкции многослойных керамических конденсаторов, однако электроды выполнены из серебра.

Конденсаторы слюды имеют очень хорошие технические параметры, но они большие и их цена высока. По этой причине их часто заменяют конденсаторами других типов.

Конденсаторы слюды часто используются в высокочастотных системах из-за стабильности высоких частот. Емкость слюдяных конденсаторов может составлять от 1 пФ до 0,1 мФ.

Следующая группа конденсаторов - это электролитические конденсаторы. В конденсаторах этого типа электроды обычно изготавливаются из алюминия или тантала. Тонкий диэлектрический слой, который представляет собой оксид, распыляется на поверхность анода или положительного электрода. Оксидный слой также расположен на катоде, то есть отрицательном электроде. Чтобы избежать контакта оксидных слоев на электродах, в качестве разделителя часто используется слой бумаги. Электролит, используемый в этих конденсаторах, должен иметь низкое удельное сопротивление.

Например, в алюминиевых конденсаторах влажный электролит представляет собой раствор, состоящий из растворителя, борной кислоты, гликоля и соли.

Алюминиевые электролитические конденсаторы характеризуются высоким значением эквивалентного последовательного сопротивления. Это зависит от высокого удельного сопротивления используемого электролита. Процесс старения этого типа конденсатора в значительной степени зависит от электролита. Это он самый быстрый. Это может произойти, например, в результате сушки растворителя, используемого в электролитах. Следовательно, чем выше температура конденсатора, тем быстрее испаряется растворитель и тем быстрее происходит процесс старения конденсаторов.

Емкость алюминиевых мокрых электролитических конденсаторов может составлять от 0,1 мФ до 0,5 F. Как правило, такие конденсаторы не могут выдерживать напряжения более 500 В. Целью этого типа конденсаторов обычно является роль фильтров в источниках питания. Для переменных токов производятся специальные конденсаторы, называемые биполярными.

В дополнение к упомянутым выше влажным электролитам также производятся сухие алюминиевые электролиты, которые сегодня называются конденсаторами с твердым электролитом и алюминиевым электролитом. Основой такого электролита является диоксид марганца. Характеризуется низким значением сопротивления. Диоксид марганца вводится между специально подготовленными электродами, покрытыми оксидным слоем. Диоксид марганца расположен на сепараторе из стеклопластика. Затем вся форма конденсатора помещается и помещается в специальный корпус.

Из-за того, что невозможно испарять электролит, он имеет гораздо более длительный срок службы, чем ранее обсуждаемые влажные конденсаторы. Твердотельные конденсаторы характеризуются высокой температурной стойкостью, они могут работать даже в диапазоне температур от -80 до 200 градусов Цельсия. ралли что температура не оказывает существенного влияния на срок службы. Напряжение здесь важно.

Емкость твердотельных конденсаторов может составлять от 0,1 до 2200 мкФ.

В танталовых конденсаторах диэлектрик представляет собой оксид тантала. Анод такого конденсатора выполнен из тантала, он изготовлен методом порошкового спекания. Следовательно, в его структуре много пор, по оценкам, около 50%. После покрытия анода оксидом тантала его погружают в диоксид марганца, который поступает в поры электрода. Контакт с анодом обеспечивается использованием графитового слоя. В прошлом были созданы танталовые конденсаторы с влажным электролитом. Однако из-за затрат мокрый конденсатор был заменен сухим. По сравнению с алюминиевыми конденсаторами с аналогичными техническими параметрами танталовые конденсаторы достигают гораздо меньших размеров. Они используются в качестве элементов электронных схем в основном в качестве блокирующих и разъединяющих конденсаторов. Однако эти конденсаторы имеют один серьезный недостаток, а именно то, что они часто имеют короткие замыкания. Это может произойти, когда критическая температура превышает температуру или напряжение.

В отличие от однослойных конденсаторов в многослойных конденсаторах диэлектрический слой отсутствует. Основой для построения такого конденсатора являются компоненты, выполненные из двойного слоя активированного угля, увлажненного электролитом. Такие элементы связаны последовательно. Между слоями активного углерода имеется сепаратор, который проникает в ионы. Кроме того, углеродные слои герметично закрыты. Когда на конденсатор подается электрическое напряжение, слой угольного анода заряжается положительно, а слой катода заряжается отрицательно. С другой стороны, отрицательно заряженные ионы электролита движутся в направлении положительно заряженных углеродных слоев.

Электролитические конденсаторы являются компонентами силовых цепей. Они могут быть фильтрующими конденсаторами, а также конденсаторами накопления энергии. В устройствах, работающих на низких частотах, они также могут выполнять функции связи и блокировки.

Последняя группа конденсаторов - это пластиковые конденсаторы. В противном случае их называют конденсаторами из фольги. Основой для построения типового фольгового конденсатора являются две фольгированные сетки из алюминия. Между этими тканями находится диэлектрик. Это пластиковая пленка. Однако в большинстве случаев конструкция этих конденсаторов немного видоизменяется. А именно, крышки такого конденсатора выполнены из пластиковой пленки, на которую был нанесен слой металла в условиях вакуума. Обычно это алюминий. Отсюда и название этой группы конденсаторов - металлизированные конденсаторы.

По названию конденсатора очень легко идентифицировать металлизированные конденсаторы, потому что они имеют букву М. Диэлектрик, в символе в конденсаторах присутствуют разные материалы. В зависимости от типа материала конденсаторы приобретают разные свойства.

Для производства пластиковых конденсаторов применяется следующее:

- полиэстер - ПЭТФ - это материал, позволяющий получать тонкие пленки. Их толщина может составлять всего 1 миллиметр. Они также допускают легкую металлизацию. В результате небольшие конденсаторы могут быть изготовлены по доступным ценам. Следует отметить, однако, что, когда речь заходит о параметрах, полиэстер определенно стоит на первом месте в группе всех используемых современных пластиков. Тем не менее, они довольно часто используются в электронных схемах. Полиэфирные конденсаторы с металлическими электродами обозначены символом KT. Однако конденсаторы с металлизированной фольгой имеют символ МКТ.

Второй используемый пластик - это поликарбонат. Подобно полиэфиру, можно получить фольгу очень небольшой толщины. Также этот материал относительно легко металлизируется. Диэлектрическая проницаемость поликарбоната имеет более высокое значение, чем у твердого полиэфира. Следствием этого является больший размер и более высокая цена поликарбонатных конденсаторов. Однако с ростом цены параметры конденсатора улучшаются. У них определенно лучшая стабильность и меньше электрических потерь.

Что касается символики, то символ KC присваивается этой группе конденсаторов, а если они имеют металлизированную фольгу, то MKC.

Конденсаторы с поликарбонатом используются в тех местах электронных схем, где требуется высокая стабильность.

Полипропилен это еще один пластик. Тем не менее, это очень трудно обрабатывать, и трудно сделать из него фольгу. Поэтому конденсаторы с полипропиленом достигают довольно больших размеров и, безусловно, стоят дороже, чем две предыдущие группы. В то же время они характеризуются низкими электрическими потерями и высокой стабильностью. Важной особенностью полипропиленовых конденсаторов также является низкое значение диэлектрического поглощения. И эта особенность определяет использование этого типа конденсаторов, например, в цепях дискретизации.

Обозначение КП было введено для полипропиленовых конденсаторов. Однако, если используется металлизированная фольга, она помечается как: MKP.

Одним из первых пластиков, использованных в конструкции конденсаторов, был полистирол. В настоящее время его все чаще заменяют материалы, рассмотренные выше.

Полистирол характеризуется низкой электрической прочностью. В результате толщина таких пленок должна быть намного больше, чем для других пластиков. Кроме того, этот материал трудно металлизировать. Но полистирол также имеет очень важные преимущества. А именно они характеризуются высокой стабильностью и малыми потерями.

Другим материалом, используемым в конденсаторах, является полифенилсульфид. Это материал, очень устойчивый к высоким температурам. Он также имеет хорошую стабильность и низкие потери. К сожалению, он также характеризуется низкой электрической прочностью. И именно поэтому фольга из этого материала должна быть толще других пластиков.

Раньше бумажные конденсаторы были обычным делом. Сегодня они заменены пластиковыми конденсаторами. Бумажные конденсаторы были намного больше и были намного дороже, чем пластиковые конденсаторы. Поэтому, несмотря на высокое значение диэлектрической проницаемости и сопротивления импульсному напряжению, эти конденсаторы сняты с эксплуатации, и сегодня они используются только в качестве разрушающих конденсаторов.

В настоящее время вся электроника основана на конденсаторах. Наряду с другими устройствами, они используются, среди прочего уменьшить колебания напряжения в источниках питания, генерировать электромагнитные колебания и поддерживать временные задержки.

Конденсаторы также используются в источниках питания для хранения энергии.