Capacitor

Конденсатор (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать») — это пассивный электронный компонент, предназначенный для накопления электрического заряда и энергии электрического поля. Конденсатор является одним из основных элементов электрических цепей, наряду с резистором и катушкой индуктивности. Основной характеристикой конденсатора является его электрическая ёмкость, определяющая способность накапливать заряд.

История

Первым прообразом конденсатора считается лейденская банка — устройство, изобретённое в 1745 году независимо друг от друга немецким физиком Эвальдом Юргеном фон Клейстом и голландским физиком Питером ван Мушенбруком в Лейдене. Лейденская банка представляла собой стеклянный сосуд, оклеенный изнутри и снаружи металлической фольгой. Она позволяла накапливать значительный электрический заряд и демонстрировать эффекты электростатики.

В 1747 году американский учёный и государственный деятель Бенджамин Франклин, изучая лейденскую банку, пришёл к выводу, что электричество не «накапливается» в одной обкладке, а распределяется между двумя проводниками, разделёнными диэлектриком. Он ввёл термины «положительный» и «отрицательный» заряд, а также «конденсатор» (от лат. condensare — сгущать, уплотнять), подразумевая сгущение электрической жидкости на обкладках.

В 1853 году английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) разработал теорию электрических колебаний, в которой конденсатор играл ключевую роль. В 1870-х годах русский физик Александр Григорьевич Столетов, изучая фотоэффект, использовал конденсатор для измерения фототока. В 1895 году русский физик Пётр Николаевич Лебедев создал генератор электромагнитных волн с использованием конденсатора, что позволило ему впервые экспериментально измерить давление света.

В XX веке, с развитием электротехники и радиоэлектроники, конструкция конденсаторов претерпела значительные изменения. Появились электролитические, керамические, плёночные, слюдяные и другие типы конденсаторов, отличающиеся материалами диэлектрика, диапазоном ёмкостей, рабочими напряжениями и частотными характеристиками.

Устройство и принцип действия

Конденсатор состоит из двух проводящих обкладок (электродов), разделённых слоем диэлектрика — материала, не проводящего электрический ток. При подаче на обкладки электрического напряжения на них накапливаются электрические заряды противоположного знака. Между обкладками возникает электрическое поле, которое и удерживает заряды. Энергия, запасённая в конденсаторе, пропорциональна квадрату напряжения на его обкладках.

Основные параметры

• Электрическая ёмкость (C) — основная характеристика, измеряемая в фарадах (Ф). На практике используются дольные единицы: микрофарады (мкФ, 10⁻⁶ Ф), нанофарады (нФ, 10⁻⁹ Ф) и пикофарады (пФ, 10⁻¹² Ф). Ёмкость определяется геометрическими размерами обкладок, расстоянием между ними и диэлектрической проницаемостью материала диэлектрика.
• Номинальное напряжение (Uном) — максимальное постоянное напряжение, которое может быть приложено к конденсатору в течение длительного времени без риска пробоя диэлектрика. Превышение этого напряжения может привести к разрушению конденсатора.
• Тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ) — параметр, характеризующий потери энергии в диэлектрике при работе на переменном токе. Чем меньше tg δ, тем выше качество конденсатора.
• Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ) — зависимость ёмкости от температуры окружающей среды. Для разных типов конденсаторов ТКЕ может быть положительным, отрицательным или близким к нулю.
• Сопротивление изоляции (Rиз) — сопротивление между обкладками конденсатора, характеризующее утечку заряда через диэлектрик. Для высококачественных конденсаторов (например, слюдяных) оно может достигать гигаом.

Классификация конденсаторов

Конденсаторы классифицируются по нескольким признакам:

По типу диэлектрика

• Керамические конденсаторы — используют керамику (оксиды титана, бария и др.) в качестве диэлектрика. Отличаются малыми габаритами, высокой стабильностью и широким диапазоном ёмкостей (от 1 пФ до 10 мкФ). Широко применяются в высокочастотных цепях.
• Электролитические конденсаторы — имеют в качестве диэлектрика тонкий слой оксида металла (алюминия, тантала, ниобия). Обладают очень большой ёмкостью (от 1 мкФ до десятков тысяч микрофарад) при относительно малых габаритах. Полярны — требуют соблюдения полярности при подключении. Используются в цепях фильтрации питания, сглаживания пульсаций.
• Плёночные конденсаторы — диэлектриком служит полимерная плёнка (полипропилен, полиэстер, поликарбонат). Отличаются высокой стабильностью, малыми потерями и широким диапазоном рабочих напряжений. Применяются в импульсных источниках питания, аудиотехнике.
• Слюдяные конденсаторы — используют слюду (мусковит) в качестве диэлектрика. Обладают очень высокой стабильностью, малыми потерями и высокой точностью. Используются в измерительной технике, эталонных цепях.
• Вакуумные конденсаторы — обкладки находятся в вакууме. Обладают очень высокой электрической прочностью и малыми потерями. Применяются в мощных радиопередатчиках, ускорителях частиц.

По типу обкладок

• Постоянные конденсаторы — имеют фиксированную ёмкость, не изменяемую в процессе эксплуатации.
• Переменные конденсаторы — ёмкость может изменяться механически (например, вращением ротора) или электрически (варикапы). Используются в настройке колебательных контуров радиоприёмников, генераторов.
• Подстроечные конденсаторы — ёмкость изменяется в небольших пределах (обычно с помощью отвертки) для точной настройки схемы.

По назначению

• Конденсаторы общего назначения — используются в большинстве электронных устройств.
• Высоковольтные конденсаторы — рассчитаны на работу при напряжениях от сотен вольт до десятков киловольт.
• Импульсные конденсаторы — способны разряжать большую энергию за короткое время (например, в фотовспышках, лазерах).
• Помехоподавляющие конденсаторы — предназначены для фильтрации высокочастотных помех в цепях питания.

Применение

Конденсаторы находят применение практически во всех областях электротехники и электроники:

• Фильтрация и сглаживание — в блоках питания конденсаторы сглаживают пульсации выпрямленного напряжения, превращая его в постоянное.
• Накопление энергии — в импульсных источниках питания, фотовспышках, дефибрилляторах, лазерах конденсаторы накапливают энергию, а затем отдают её в нагрузку за короткое время.
• Создание колебательных контуров — совместно с катушкой индуктивности конденсатор образует резонансный контур, используемый в радиоприёмниках, передатчиках, генераторах.
• Разделение цепей — конденсаторы пропускают переменный ток и блокируют постоянный, что используется для разделения каскадов усилителей, фильтрации сигналов.
• Защита от помех — конденсаторы, установленные на входе и выходе устройств, подавляют высокочастотные помехи, возникающие при работе импульсных схем.
• Фазосдвигающие цепи — в асинхронных двигателях конденсаторы используются для создания фазового сдвига между обмотками, необходимого для запуска.
• Измерение физических величин — изменение ёмкости конденсатора под действием внешних факторов (давления, влажности, уровня жидкости) используется в датчиках.

Интересные факты

• Самый большой в мире конденсатор — суперконденсатор (ионистор) компании Maxwell Technologies (ныне Tesla) ёмкостью 3000 Фарад при напряжении 2,7 В. Он способен запасать энергию, достаточную для питания светодиодного фонаря в течение нескольких часов.
• Конденсаторы могут быть полярными (электролитические) и неполярными (керамические, плёночные). Неправильное подключение полярного конденсатора (переполюсовка) приводит к его быстрому выходу из строя, часто с взрывом или выбросом электролита.
• В 2015 году российские учёные из Института физики твёрдого тела РАН разработали графеновые суперконденсаторы, способные заряжаться за несколько секунд и выдерживать миллионы циклов заряда-разряда без потери ёмкости.
• Конденсаторы используются в дефибрилляторах для накопления энергии, которая затем разряжается через грудную клетку пациента, восстанавливая сердечный ритм.

Источники

• Калашников С. Г. «Электричество». — М.: Наука, 1977.
• Бессонов Л. А. «Теоретические основы электротехники. Электрические цепи». — М.: Высшая школа, 1996.
• ГОСТ 21415-75 «Конденсаторы. Термины и определения».
• Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники». — М.: Мир, 1998.