Служат конденсаторы в электрической цепи. Электролитические конденсаторы: особенности применения

Если заглянуть внутрь корпуса любого электроприбора, можно увидеть множество различных компонентов, применяемых в современной схемотехнике. Разобраться, как работают все эти соединенные в единую систему резисторы, транзисторы, диоды и микросхемы, довольно сложно. Однако для того чтобы понять, зачем нужен конденсатор в электрических цепях, достаточно знаний школьного курса физики.

Устройство конденсатора и его свойства

Конденсатор состоит из двух или более электродов – обкладок, между которыми помещен слой диэлектрика. Такая конструкция обладает способностью накапливать электрический заряд при подключении к источнику напряжения. В качестве диэлектрика могут использоваться воздух или твердые вещества: бумага, слюда, керамика, оксидные пленки.

Основная характеристика конденсатора – постоянная или переменная электрическая емкость, измеряемая в фарадах. Она зависит от площади обкладок, зазора между ними и вида диэлектрика. Емкость конденсатора определяет два важнейших его свойства: способность накапливать энергию и зависимость проводимости от частоты пропускаемого сигнала, благодаря которым этот компонент получил широкое применение в электрических цепях.

Накопление энергии

Если подключить плоский конденсатор к источнику постоянного напряжения, на одном из его электродов будут постепенно собираться отрицательные заряды, а на другом – положительные. Данный процесс, называемый зарядкой, показан на рисунке. Его длительность зависит от значений емкости и активного сопротивления элементов цепи.

Наличие диэлектрика между обкладками препятствует протеканию заряженных частиц внутри устройства. Но в самой цепи в это время электрический ток будет существовать до тех пор, пока напряжения на конденсаторе и источнике не станут равны. Теперь, если отключить элемент питания от емкости, она сама будет являться своеобразной батарейкой, способной отдавать энергию в случае подсоединения нагрузки.

Зависимость сопротивления от частоты тока

Подключенный к цепи переменного тока конденсатор будет периодически перезаряжаться в соответствии с изменением полярности питающего напряжения. Таким образом, рассматриваемый электронный компонент, наряду с резисторами и катушками индуктивности, создает сопротивление Rс=1/(2πfC), где f – частота, С – емкость.

Как видно из представленной зависимости, конденсатор обладает высокой проводимостью по отношению к высокочастотным сигналам и слабо проводит низкочастотные. Сопротивление емкостного элемента в цепи постоянного тока будет бесконечно большим, что эквивалентно ее разрыву.

Изучив эти свойства, можно рассмотреть, зачем нужен конденсатор и где он используется.

Где применяются конденсаторы?

Фильтры – устройства в радиоэлектронных, энергетических, акустических и других системах, предназначенные для пропускания сигналов в определенных диапазонах частот. Например, в обычном зарядном устройстве для мобильного телефона применяются конденсаторы для сглаживания напряжения за счет подавления высокочастотных составляющих.
Колебательные контуры электронной аппаратуры. Их работа основана на том, что при включении конденсаторов в совокупности с катушкой индуктивности в цепи возникают периодические напряжения и токи.
Формирователи импульсов, таймеры, аналоговые вычислительные устройства. В работе этих систем используется зависимость времени заряда конденсатора от величины емкости.
Выпрямители с умножением напряжения, применяемые в том числе в рентгенотехнических установках, лазерах, ускорителях заряженных частиц. Здесь важнейшую роль играет свойство емкостного компонента накапливать энергию, сохранять и отдавать ее.

Конечно, это только самые распространенные устройства, где используются конденсаторы. Без них не обойдется ни одна сложная бытовая, автомобильная, промышленная, телекоммуникационная, силовая электронная аппаратура.

Конденсатор представляет собой пассивный электронный компонент, который имеет два полюса с определенным или переменным значением емкости. Еще он обладает малой проводимостью. Важно разобраться, для чего нужно конденсатор в электродвигателе и , поскольку согласно информации, представленной на форумах, у многих людей неправильное представление по этому поводу, и они просто недооценивают значимость этого устройства.

Для чего нужен конденсатор?

Устройство используется во всех электрических и радиотехнических схемах. Для каких целей в схему включают конденсатор:

Выступает в роли сопротивления, что позволяет использовать его в качестве фильтра, чтобы подавлять ВЧ и НЧ помехи.
Применяют для фотовспышек и лазеров, а все благодаря способности устройства накапливать заряд и быстро разряжаться, создавая импульс.
Помогает компенсировать реактивную энергию, что позволяет использовать его в промышленности.
Благодаря умению накапливать и долгое время сохранять заряд конденсатор можно использовать для сохранения информации и для питания маломощных устройств.

Для чего нужен автомобильный конденсатор?

Это устройство может выполнять несколько функций в автомобиле. Например, их используют, чтобы создать высокие показатели напряженности во всей электрической системе в авто. Чаще всего конденсатор применяют для автомобильной акустики. Говоря о том, зачем нужен конденсатов в автозвуке, заметим, что его основное предназначение заключается в помощи усилителю быстро отдавать имеющуюся мощность на пиках низких частот.

Если в акустической системе конденсатор не используется, тогда звук баса не будет таким четким, а также может возникать просадка в питании всей электрической сети автомобиля. Подобные скачки напряжения в итоге могут привести к тому, что сабвуфер попросту сломается.

При выборе конденсатора для автомобиля руководствуйтесь таким правилом, что на 1 кВт мощности должно приходиться 1 Ф. Выбирайте качественный конденсаторы и лучше всего, если у них будет смеха управления зарядом.

Стоит также выяснить, как правильно установить конденсатор. Лучше всего делать это максимально близко к сабвуферному усилителю, поскольку именно на него приходится самая большая нагрузка. Расстояние не должно быть больше 60 см. Тип подключения – параллельное.

Зачем нужен конденсатор в электродвигателе?

Для правильной работы некоторых двигателей необходимо использовать пусковой и рабочий конденсаторы. Основное предназначение пускового конденсатора заключается в повышении пусковых характеристик двигателя. Это устройство помогает уменьшить время входа двигателя в его рабочий режим, одновременно увеличить крутящийся момент и облегчить процесс запуска двигателя.

Что касается рабочего конденсатора, то он вовлечен в работу на протяжении всего времени работы двигателя. Это устройство обеспечивает допустимый нормами нагрев обмоток, оптимальную нагрузочную способность и экономичность электрического двигателя. Еще он способствует максимальному крутящему моменту и увеличению срока службы двигателя.

Теперь следует выяснить, какой конденсатор нужен для двигателя. Емкость этого устройства обычно выбирается из расчета, что на 100 Вт должно приходиться 6,6 мФ. Порой данное значение является некорректным, поэтому лучше всего подбирать емкость путем экспериментов. Есть несколько способ подбора, но наиболее точные значения можно получить благодаря подключению двигателя через амперметр. Важно проконтролировать потребляемый ток при разных емкостях. Задача заключается в том, чтобы найти, при какой емкости значение тока на амперметре будет минимальным.

Конденсатор – элемент, способный накапливать электрическую энергию. Название происходит от латинского слова «condensare» — «сгущать», «уплотнять».

Первый конденсатор был создан в 1745 году Питером ванн Мушенбруком. В честь города Лейдена, в котором его создали, изобретение впоследствии назвали «Лейденской банкой».

Конденсатор состоит из металлических электродов – обкладок, между которыми находится диэлектрик. По сравнению с обкладками, диэлектрик имеет небольшую толщину. Это и определяет свойство конденсатора накапливать заряд: положительные и отрицательные заряды на его обкладках удерживают друг друга, взаимодействуя через тонкий непроводящий слой.

Емкость конденсатора зависит от:

площади обкладок (S);
расстояния между ними (d);
диэлектрической проницаемости материала диэлектрика между обкладками (ԑ).

Связаны они между собой формулой (формула емкости конденсатора):

Для увеличения площади обкладок пластины некоторых конденсаторов изготавливают из полосок фольги, разделенных полоской диэлектрика и скрученных в рулон. Увеличить емкость также можно уменьшением толщины диэлектрика между обкладками и применением материалов с большей диэлектрической проницаемостью. Между обкладками конденсаторов располагают твердые, жидкие вещества и газы, в том числе и воздух.

Конденсаторы небольшой емкости получают на печатных платах, располагая две дорожки напротив друг друга.

Каким бы качественным не был диэлектрик в конденсаторе, он все равно имеет сопротивление. Его величина велика, но в заряженном состоянии конденсатора ток между обкладками все равно есть. Это приводит к явлению «саморазряда »: заряженный конденсатор со временем теряет свой заряд.

Принцип работы конденсатора: его заряд и разряд

Заряд конденсатора. В момент подключения к источнику постоянного тока через конденсатор начинает протекать ток заряда. Он убывает по мере зарядки конденсатора и в итоге падает до величины тока саморазряда, определяющегося проводимостью материала диэлектрика.

Напряжение на конденсаторе плавно нарастает от нуля до напряжения источника питания.

При заряде конденсатора ток и напряжение изменяются по экспоненциальному закону. Время заряда можно определить по формуле:

Если сопротивление в формулу подставить в Омах, в емкость – в Фарадах, то получим время в секундах, за которое напряжение на конденсаторе изменится в е ≈ 2,72 раз. Конденсатор большей емкости будет разряжаться дольше, и быстрее разрядится на меньшую величину сопротивления.

Разряд конденсатора. Если к заряженному конденсатору подключить сопротивление нагрузки, то ток через нее вначале будет максимальным, затем плавно упадет до нуля. Напряжение на его обкладках тоже будет изменяться по экспоненциальному закону.

Применение конденсаторов

Наряду с резисторами конденсаторы являются самыми распространенными компонентами. Ни одно электронное изделие не может без него обойтись. Вот краткий перечень направлений использования конденсаторов.

Блоки питания : в качестве сглаживающих фильтров при преобразовании пульсирующего тока в постоянный.

Звуковоспроизводящая техника : создание при помощи RC-цепочек элементов схем, пропускающих звуковые сигналы одних частот и задерживая остальные. За счет этого удается регулировать тембр и формировать амплитудно-частотные характеристики устройств.

Радио- и телевизионная техника : совместно с катушками индуктивности конденсаторы используются в составе устройств настройки на передающую станцию, выделения полезного сигнала, фильтрации помех.

Электротехника . Для создания фазовых сдвигов в обмотках однофазных электродвигателей или в схемах подключения трехфазных двигателей в однофазную сеть. Используются в установках, компенсирующих реактивную мощность.

При помощи конденсаторов можно накопить заряд, превышающий по мощности источник питания. Это используется для работы фотовспышек , а также в установках для отыскания повреждений в кабельных линиях, выдающих мощный высоковольтный импульс в место повреждения.

Все виды конденсаторов имеют одинаковое основное устройство, оно состоит из двух токопроводящих пластин (обкладок), на которых концентрируются электрические заряды противоположных полюсов, и слоя изоляционного материала между ними.

Применяемые материалы и величина обкладок с разными параметрами слоя диэлектрика влияют на свойства конденсатора.

Классификация

Конденсаторы делятся на виды по следующим факторам.

Назначению

Общего назначения . Это популярный вид конденсаторов, которые используют в электронике. К ним не предъявляются особые требования.
Специальные . Такие конденсаторы обладают повышенной надежностью при заданном напряжении и других параметров при запуске электродвигателей и специального оборудования.

Изменению емкости

Постоянной емкости . Не имеют возможности изменения емкости.
Переменной емкости . Они могут изменять значение емкости при воздействии на них температуры, напряжения, регулировки положения обкладок. К конденсаторам переменной емкости относятся:
Подстроечные конденсаторы не предназначены для постоянной работы, связанной с быстрой настройкой емкости. Они служат только для одноразовой наладки оборудования и периодической подстройки емкости.
Нелинейные конденсаторы изменяют свою емкость от воздействия температуры и напряжения по нелинейному графику. Конденсаторы, емкость которых зависит от напряжения, называются варикондами , от температуры – термоконденсаторами .

Способу защиты

Незащищенные работают в обычных условиях, не имеют никакой защиты.
Защищенные конденсаторы выполнены в защищенном корпусе, поэтому могут работать при высокой влажности.
Неизолированные имеют открытый корпус и не имеют изоляции от возможного соприкосновения с различными элементами схемы.
Изолированные конденсаторы выполнены в закрытом корпусе.
Уплотненные имеют корпус, заполненный специальными материалами.
Герметизированные имеют герметичный корпус, полностью изолированы от внешней среды.

Виду монтажа

Навесные делятся на несколько видов с;
— ленточными выводами;
— опорным винтом;
— круглыми электродами;
— радиальными или аксиальными выводами.
Конденсаторы с винтовыми выводами оснащены резьбой для соединения со схемой, применяются в силовых цепях. Подобные выводы проще фиксировать на охлаждающих радиаторах для снижения тепловых нагрузок.
Конденсаторы с защелкивающимися выводами являются новой разработкой, при монтаже на плату они защелкиваются. Это очень удобно, так как нет необходимости использовать пайку.
Конденсаторы, предназначенные для поверхностной установки , имеют особенность конструкции: части корпуса являются выводами.
Емкости для печатной установки изготавливают с круглыми выводами для расположения на плате.

По материалу диэлектрика

Сопротивление изоляции между пластинами зависит от параметров изоляционного материала. Также от этого зависят допустимые потери и другие параметры. Рассмотрим виды конденсаторов, которые имеют различные материалы диэлектрика.

Конденсаторы с неорганическим изолятором из стеклокерамики, стеклоэмали, слюды. На диэлектрический материал нанесено металлическое напыление или фольга.
Низкочастотные конденсаторы включают в себя изоляционный материал в виде слабополярных органических пленок, у которых диэлектрические потери зависят от частоты тока.
Высокочастотные модели содержат пленки из фторопласта и полистирола.
Импульсные модели высокого напряжения имеют изолятор из комбинированных материалов.
В конденсаторах постоянного напряжени я в качестве диэлектрика используется политетрафторэлитен, бумага, либо комбинированный материал.
Низковольтные модели работают при напряжении до 1,6 кВ.
Высоковольтные модели функционируют при напряжении свыше 1,6 кВ.
Дозиметрические конденсаторы служат для работы с малым током, имеют незначительный саморазряд и большое сопротивление изоляции.
Помехоподавляющие емкости уменьшают помехи, возникающие от электромагнитного поля, имеют низкую индуктивность.
Емкости с органическим изолятором выполнены с применением конденсаторной бумаги и различных пленок.
Вакуумные, воздушные, газонаполненные конденсаторы обладают малыми диэлектрическими потерями, поэтому их применяют в аппаратуре с высокой частотой .

Форме пластин

Сферические.
Плоские.
Цилиндрические.

Полярности

Электролитические конденсаторы называют оксидными. При их подключении обязательным является соблюдение полярности выводов. Электролитические конденсаторы содержат диэлектрик, состоящий из оксидного слоя, образованный электрохимическим способом на аноде из тантала или алюминия. Катодом является электролит в жидком или гелеобразном виде.
Неполярные конденсаторы могут включаться в схему без соблюдения полярности.

Конструктивные особенности

Рассмотренные выше виды конденсаторов далеко не все имеют большую популярность. Поэтому подробнее рассмотрим конструктивные особенности наиболее применяемых видов конденсаторов.

Воздушные виды конденсаторов

В качестве диэлектрика используется воздух. Такие виды конденсаторов хорошо зарекомендовали себя при работе на высокой частоте, в качестве настроечных конденсаторов с изменяемой емкостью. Подвижная пластина конденсатора является ротором, а неподвижную называют статором. При смещении пластин друг относительно друга, изменяется общая площадь пересечения этих пластин и емкость конденсатора. Раньше такие конденсаторы были очень популярны в радиоприемниках для настраивания радиостанций.

Керамические

Такие конденсаторы изготавливают в виде одной или нескольких пластин, выполненных из специальной керамики. Металлические обкладки изготавливают путем напыления слоя металла на керамическую пластину, затем соединяют с выводами. Материал керамики может применяться с различными свойствами.

Их разнообразие обуславливается широким интервалом диэлектрической проницаемости. Она может достигать нескольких десятков тысяч фарад на метр, и имеется только у такого вида емкостей. Такая особенность керамических емкостей позволяет создавать большие значения емкостей, которые сопоставимы с электролитическими конденсаторами, но для них не важна полярность подключения.

Керамика имеет нелинейную сложную зависимость свойств от напряжения, частоты и температуры. Из-за небольшого размера корпуса эти виды конденсаторов применяются в компактных устройствах.

Пленочные

В таких моделях в качестве диэлектрика выступает пластиковая пленка: поликарбонат, полипропилен или полиэстер.

Обкладки конденсатора напыляют или выполняют в виде фольги. Новым материалом служит полифениленсульфид.

Параметры пленочных конденсаторов

Применяются для резонансных цепей.
Наименьший ток утечки.
Малая емкость.
Высокая прочность.
Выдерживают большой ток.
Устойчивы к электрическому пробою (выдерживают большое напряжение).
Наибольшая эксплуатационная температура до 125 градусов.

Полимерные

Эти модели имеют отличие от электролитических емкостей наличием полимерного материала, вместо оксидной пленки между обкладками. Они не подвергаются утечке заряда и раздуванию.

Параметры полимера обеспечивают значительный импульсный ток, постоянный температурный коэффициент, малое сопротивление. Полимерные модели способны заменить электролитические модели в фильтрах импульсных источников и других устройствах.

Электролитические

От бумажных моделей электролитические конденсаторы отличаются материалом диэлектрика, которым является оксид металла, созданный электрохимическим методом на плюсовой обкладке.

Вторая пластина выполнена из сухого или жидкого электролита. Электроды обычно выполнены из тантала или алюминия. Все электролитические емкости считаются поляризованными, и способны нормально работать только на постоянном напряжении при определенной полярности.

Если не соблюдать полярность, то может произойти необратимый химический процесс внутри емкости, которая приведет к выходу его из строя, или даже взрыву, так как будет выделяться газ.

К электролитическим можно отнести суперконденсаторы, которые называют ионисторами. Они обладают очень большой емкостью, достигающей тысячи Фарад.

Танталовые электролитические

Устройство танталовых электролитов имеет особенность в электроде из тантала. Диэлектрик состоит из пентаоксида тантала.

Параметры

Незначительный ток утечки, в отличие от алюминиевых видов.
Малые размеры.
Невосприимчивость к внешним воздействиям.
Малое активное сопротивление.
Высокая чувствительность при ошибочном подключении полюсов.

Алюминиевые электролитические

Положительным выводом является электрод из алюминия. В качестве диэлектрика использован триоксид алюминия. Они применяются в импульсных блоках и являются выходным фильтром.

Параметры

Большая емкость.
Корректная работа только на низких частотах.
Повышенное соотношение емкости и размера: конденсаторы других видов при одной емкости имели бы большие размеры.
Большая утечка тока.
Низкая индуктивность.

Бумажные

Диэлектриком между фольгированными пластинами служит особая конденсаторная бумага. В электронных устройствах бумажные виды конденсаторов обычно работают в цепях высокой и низкой частоты.

Металлобумажные конденсаторы обладают герметичностью, высокой удельной емкостью, качественной электрической изоляцией. В их конструкции применяется вакуумное металлическое напыление на бумажный диэлектрик, вместо фольги.

Бумажные конденсаторы не обладают высокой механической прочностью. В связи с этим его внутренности располагают в металлическом корпусе, который защищает его устройство.

Конденсатор (с латинского «condensare» — «уплотнять», «сгущать», в простонародье «кондер») — один из самых распространенных элементов в радиоэлектронике, после резистора. Состоит из двух обкладок разделенных диэлектриком малой толщины, по сравнению с толщиной этих обкладок. Но на практике эти обкладки свернуты в многослойный рогалик, ой рулон в форме цилиндра или параллелепипеда разделенных все тем же диэлектриком.

Принцип работы конденсатора

Заряд. При подключении к источнику питания на обкладках скапливаются заряды. При зарядке на одной пластине скапливаются положительно заряженные частицы (ионы) , а на другой отрицательно заряженные частицы (электроны) . Диэлектрик служит препятствием, чтобы частицы не перескакивали на другую обкладку. При зарядке вместе с емкостью растет и напряжение на выводах и достигает максимума, равного напряжению источника питания.

Разряд. Если после зарядки конденсатора отключить питание и подключить нагрузку, конденсатор уже будет играть роль источника тока. Электроны начнут двигаться в через нагрузку, которая при подключении образовывает замкнутую цепь, к ионам (по закону притяжения между разноименными разрядами).

Основными параметрами конденсатора являются:

Номинальная емкость — это его основная характеристика, подразумевает объем электрических зарядов. Измеряется емкость в Фарадах (сокращенно Ф) , на практике часто встречаются мкФ (1мкФ = 0,000001 Ф ), нФ (1нФ = 0,000000001 Ф ), пФ (1пФ = 0,000000000001 Ф) , так как емкость в 1Ф очень велика. Но есть такой компонент который может иметь емкость даже больше 1 Фарады его называют ионистр (о нем и о других я расскажу позже) .
Номинальное напряжение — это максимальное напряжение, при котором конденсатор может надежно и долго работать, измеряется конечно же в вольтах (сокращенно В) . При превышении напряжения конденсатор выйдет из строя. В случаях когда необходимо поменять конденсатор, а с нужной емкостью имеется, но он рассчитан на большее напряжение по сравнению с вышедшем из строя его можно спокойно ставить (например «сгорел» конденсатор 450мкФ 10В, его можно заменить на 450мкФ 25В ). Главное чтобы он по габаритам поместился в вашу плату.
Допуск отклонения — допустимое отклонение величины его реальной ёмкости от указанной на корпусе. Обозначается в процентах. Допуск у конденсаторов может достигать 20 – 30%. В устройствах, где требуется особая точность, применяются конденсаторы с малым допуском (1% и менее) .
Температурный коэффициент емкости — встречается на электролитических конденсаторах. Емкость алюминиевого электролитического конденсатора зависит от температуры. С понижением температуры (особенно ниже 0°C) повышается вязкость электролита и его ESR (удельное электрическое сопротивление) , что ведет к уменьшению емкости конденсатора.

Для чего же нужны конденсаторы и с чем их «едят».

В цепи переменного тока конденсатор нужен в роли емкостного сопротивления. Если в цепи с постоянным током конденсатор подключить последовательно лампочке, она светится не будет, а в цепи с переменном током она загорится. И будет святится даже ярче и чем выше емкость конденсатора тем ярче будет свет. За счет этого свойства конденсаторы часто используются в качестве фильтрации пульсирующего тока (его основная задача во многих схемах) , он хорошо подавляет ВЧ и НЧ помехи, скачки переменного тока и пульсации напряжения.
За счет своей главной особенности накапливать электрический заряд и затем быстро его отдавать создавая импульс, делает их незаменимыми при изготовлении фотовспышек, магнитных ускорителей, стартеров и т.п.
Конденсаторы также используются для запуска трехфазных двигателей на однофазном питании, подключая к третьему выводу он сдвигает фазу на 90 градусов.
Благодаря способности накапливать и отдавать заряд, конденсаторы используют в схемах в которых нужно сохранить информацию на длительное время. Но к сожалению, он значительно уступает в способности накапливать энергию аккумуляторным батареям питания, из-за саморазряда и не способности накопить электроэнергию большей величины.