Конденсатор

Конденсатор — это пассивный электронный компонент, предназначенный для накопления электрического заряда и энергии электрического поля. Основной характеристикой конденсатора является его электрическая ёмкость, которая определяет способность накапливать заряд при заданном напряжении. Конденсатор состоит из двух (или более) проводящих обкладок (электродов), разделённых слоем диэлектрика — материала, не проводящего электрический ток. При подаче напряжения на обкладки на них накапливаются равные по величине, но противоположные по знаку электрические заряды, а в диэлектрике возникает электрическое поле.

История

Первым прототипом 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. Лейденская банка представляла собой стеклянный сосуд, оклеенный изнутри и снаружи металлической фольгой. Стекло служило диэлектриком, а обкладками — слои фольги. Это устройство позволяло накапливать значительный по тем временам электрический заряд и использовалось для проведения опытов с электричеством.

В XIX веке, с развитием электротехники, появились более совершенные конструкции: бумажные конденсаторы (с использованием пропитанной бумаги в качестве диэлектрика) и слюдяные конденсаторы. В 1876 году американский изобретатель Элиу Томсон получил патент на конденсатор с бумажным диэлектриком. В начале XX века, с изобретением электролитического конденсатора (патент 1926 года), стало возможным получать большие значения ёмкости при относительно малых габаритах. Дальнейшее развитие привело к созданию керамических, плёночных, танталовых и других типов конденсаторов, используемых в современной электронике.

Устройство и принцип действия

Конденсатор состоит из следующих основных элементов:

• Обкладки (электроды): проводящие пластины, обычно изготавливаемые из алюминия, меди, тантала или других металлов. Площадь обкладок и расстояние между ними напрямую влияют на ёмкость.
• Диэлектрик: изолирующий слой, разделяющий обкладки. Материал диэлектрика определяет электрические свойства конденсатора: его ёмкость, рабочее напряжение, температурную стабильность и частотные характеристики. В качестве диэлектриков используются воздух, керамика, стекло, слюда, бумага, полимерные плёнки, оксидные слои металлов (в электролитических конденсаторах) и другие материалы.
• Выводы: металлические контакты, соединяющие обкладки с внешней электрической цепью.

Принцип действия основан на поляризации диэлектрика под действием внешнего электрического поля. Когда к обкладкам прикладывается напряжение, на одной обкладке накапливается положительный заряд, а на другой — отрицательный. Между обкладками возникает электрическое поле, которое удерживает заряды. При отключении источника напряжения конденсатор некоторое время сохраняет накопленный заряд, выступая в роли накопителя энергии.

Основные характеристики

Основными параметрами конденсатора являются:

• Электрическая ёмкость (C): способность накапливать заряд. Измеряется в фарадах (Ф). На практике используются дольные единицы: микрофарады (мкФ), нанофарады (нФ) и пикофарады (пФ). Ёмкость определяется геометрией обкладок (площадью и расстоянием между ними) и диэлектрической проницаемостью материала диэлектрика.
• Номинальное напряжение (U_раб): максимальное постоянное или импульсное напряжение, которое можно приложить к конденсатору в течение длительного времени без риска пробоя диэлектрика. Превышение этого напряжения приводит к выходу конденсатора из строя.
• Допуск (точность): допустимое отклонение фактической ёмкости от номинального значения, выраженное в процентах.
• Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ): характеризует изменение ёмкости при изменении температуры окружающей среды.
• Тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ): характеризует потери энергии в конденсаторе при работе в цепях переменного тока. Чем меньше tg δ, тем выше качество конденсатора.
• Ток утечки: небольшой ток, протекающий через диэлектрик при приложении постоянного напряжения. Для электролитических конденсаторов этот параметр имеет большее значение, чем для керамических или плёночных.

Классификация

Конденсаторы классифицируются по нескольким признакам.

По типу диэлектрика

• Керамические: диэлектрик — керамика. Отличаются малыми габаритами, высокой стабильностью и широким диапазоном ёмкостей (от долей пФ до нескольких мкФ). Широко используются в высокочастотных цепях.
• Электролитические (алюминиевые, танталовые): диэлектрик — тонкий оксидный слой на поверхности металлического электрода. Обладают большой удельной ёмкостью (от единиц мкФ до тысяч мкФ) при низком рабочем напряжении. Требуют соблюдения полярности при включении в цепь постоянного тока. Используются в фильтрах источников питания, в цепях сглаживания пульсаций.
• Плёночные (полипропиленовые, полиэтилентерефталатные, поликарбонатные): диэлектрик — синтетическая полимерная плёнка. Отличаются высокой стабильностью, малыми потерями и большим сроком службы. Применяются в импульсных блоках питания, аудиотехнике, цепях переменного тока.
• Слюдяные: диэлектрик — слюда. Обладают высокой стабильностью и малыми потерями, но имеют относительно большие габариты. Используются в эталонных и прецизионных устройствах.
• Бумажные: диэлектрик — специальная конденсаторная бумага, пропитанная маслом или другим составом. Устаревший тип, но до сих пор применяется в высоковольтных устройствах и импульсных контурах.
• Воздушные (вакуумные): диэлектрик — воздух или вакуум. Используются в мощных радиопередатчиках и высоковольтных установках.

По назначению

• Общего назначения: для фильтрации, развязки, блокировки в цепях постоянного и переменного тока.
• Высоковольтные: для работы в цепях с напряжением от сотен до тысяч вольт.
• Импульсные: для работы в цепях с большими импульсными токами и напряжениями (например, в лазерах, электромагнитных ускорителях).
• Пусковые: для запуска электродвигателей переменного тока.
• Помехоподавляющие: для подавления электромагнитных помех в сетях питания.
• Термостабильные: с минимальным изменением ёмкости от температуры.

По полярности

• Неполярные: могут включаться в цепь без соблюдения полярности. К ним относятся керамические, плёночные, слюдяные, бумажные конденсаторы.
• Полярные (электролитические): требуют строгого соблюдения полярности при включении в цепь постоянного тока. Включение в обратной полярности приводит к выходу из строя (разрушению диэлектрика).

Применение

Конденсаторы являются одними из самых распространённых электронных компонентов и используются практически во всех электронных устройствах. Основные области применения:

• Фильтрация: сглаживание пульсаций напряжения в выпрямителях и блоках питания; подавление высокочастотных помех в цепях питания и сигнальных линиях.
• Развязка: разделение цепей по постоянному току при передаче переменного сигнала (например, в усилителях).
• Резонансные контуры: совместно с катушками индуктивности образуют колебательные контуры в радиоприёмниках, передатчиках, генераторах.
• Накопление энергии: в импульсных источниках питания, фотовспышках, дефибрилляторах, лазерах.
• Фазосдвигающие цепи: для создания сдвига фаз в цепях управления электродвигателями, в генераторах синусоидальных колебаний.
• Интеграторы и дифференциаторы: в аналоговых вычислительных устройствах и схемах формирования сигналов.
• Защита от перенапряжений: в цепях защиты от импульсных помех (варисторные конденсаторы).

Интересные факты

• Самым большим конденсатором в мире считается суперконденсатор (ионистор) компании Maxwell Technologies ёмкостью 3000 Фарад, используемый в системах рекуперативного торможения городских автобусов.
• В некоторых моделях электролитических конденсаторов в качестве диэлектрика используется оксид тантала — очень дорогой и редкий металл. Такие конденсаторы отличаются высокой надёжностью и малым током утечки.
• Конденсаторы способны накапливать заряд в течение длительного времени (от секунд до нескольких месяцев) и при случайном замыкании выводов могут вызвать сильный электрический разряд, опасный для человека.
• В рентгеновских аппаратах и ускорителях частиц используются конденсаторы, способные выдерживать напряжение до нескольких миллионов вольт.

Источники

• ГОСТ 2.728-74 «Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Резисторы, конденсаторы»
• ГОСТ Р 52063-2003 «Конденсаторы постоянной ёмкости. Общие технические условия»
• Касаткин А.С., Немцов М.В. «Электротехника». — М.: Энергоатомиздат, 2000.
• Бессонов Л.А. «Теоретические основы электротехники. Электрические цепи». — М.: Высшая школа, 1996.
• Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В. Корицкого. — М.: Энергия, 1974.