Конденсаторы действуют как временные накопители заряда, поведение которых можно описать формулой:
Простое объяснение того, что говорит нам это уравнение, заключается в следующем: если подать на конденсатор емкостью 1 мкФ импульс тока 1 мА длительностью 1 с, напряжение на его выводах увеличится на 1000 В.
В более общем виде это уравнение утверждает, что конденсатор «любит» пропускать ток, когда напряжение на его выводах меняется со временем (например, высокочастотные сигналы переменного тока), но «ненавидит» пропускать ток, когда приложенное напряжение постоянно (например, сигналы постоянного тока).
«Нелюбовь» конденсатора к прохождению тока определяется его емкостным сопротивлением
Когда частота приложенного напряжения приближается к бесконечности, реактивное сопротивление конденсатора стремится к нулю, и он действует как идеальный проводник. Однако, когда частота приближается к нулю, реактивное сопротивление конденсатора стремится к бесконечности, и он действует как бесконечно большой резистор.
Изменение значения C также влияет на реактивное сопротивление. Когда C становится большим, реактивное сопротивление уменьшается, а ток смещения увеличивается.
Для чего служат конденсаторы
С точки зрения применения, способность конденсатора изменять свое реактивное сопротивление при изменении напряжения на его выводах делает его особенно полезным в устройствах, чувствительных к частоте.
Например, конденсаторы используются в частотно-чувствительных делителях напряжения, обходных и блокировочных цепях, схемах фильтрации, устройствах подавления переходных помех, дифференцирующих и интегральных схемах. Конденсаторы также используются в схемах умножителей напряжения, схемах генераторов и схемах фотовспышек.
Принцип работы конденсатора
Простой конденсатор состоит из двух параллельных пластин. Когда две пластины подключены к источнику постоянного напряжения (например, к батарее), электроны “выталкиваются” на одну пластину отрицательной клеммой батареи, в то время как положительной клеммой электроны “вытягиваются” из другой пластины.
Если разность зарядов между двумя пластинами становится чрезмерно большой, искра может проскочить через зазор между ними и разрядить конденсатор. Чтобы увеличить количество заряда, которое может храниться на пластинах, между ними помещается непроводящий диэлектрический материал.
Диэлектрик действует как “блокиратор искр” и, следовательно, увеличивает зарядную емкость конденсатора.
Другие факторы, влияющие на уровни емкости, включают площадь поверхности пластины конденсатора S и расстояние между параллельными пластинами d.
Диэлектриком конденсатора может быть бумага, пластиковая пленка, слюда, стекло, керамика или воздух, в то время как пластины могут быть либо алюминиевыми дисками, алюминиевой фольгой, либо тонкой пленкой металла, нанесенной на противоположные стороны твердого диэлектрика.
«Сэндвич» проводник-диэлектрик-проводник можно оставить плоским или свернуть в цилиндр. На рисунке ниже показаны некоторые примеры.
Виды конденсаторов. Фото и описание
Существует несколько различных видов конденсаторов, каждый из которых обладает определяющими характерными особенностями.
- Некоторые виды хороши для хранения большого количества заряда, но могут иметь высокие токи утечки и плохие допуски.
- Другие виды могут иметь большие допуски и низкие токи утечки, но могут не иметь возможности хранить большое количество заряда.
- Некоторые семейства предназначены для работы с высоким напряжением, но могут быть громоздкими и дорогими.
- Другие семейства могут не выдерживать высоких напряжений, но могут иметь хорошие допуски и хорошие температурные характеристики.
- Полярные конденсаторы, в отличие от неполярных, специально разработаны для использования с постоянным напряжением (неполярный конденсатор может выдерживать как постоянное, так и переменное напряжение). Полярный конденсатор имеет положительный вывод, который должен быть помещен в цепь с более высоким потенциалом и имеет отрицательный вывод, который должен быть установлен на более низкий потенциал.
Предупреждение!
Установка такого конденсатора в неправильном направлении может привести к его разрушению.
Конденсаторы также бывают постоянные и переменные. Переменные конденсаторы имеют ручку, которую можно поворачивать для регулировки уровня емкости. Символы для постоянных, полярных и переменных конденсаторов показаны ниже.
Теперь подробнее рассмотрим виды конденсаторов.
Электролитический конденсатор
Эти конденсаторы включают в себя как алюминиевые, так и танталовые электролиты.
Они изготавливаются путем электрохимического образования оксидной пленки на металлической (алюминиевой или танталовой) поверхности. Металл, на котором образуется оксидная пленка, служит анодом или положительным выводом. Оксидная пленка действует как диэлектрик, а проводящая жидкость или гель действует как катод или отрицательный вывод.
Танталовые электролитические конденсаторы имеют большее отношение емкости к объему по сравнению с алюминиевыми электролитическими. Большинство электролитических конденсаторов поляризованы.
Электролитические конденсаторы, по сравнению с неэлектролитическими конденсаторами, обычно имеют большую емкость, но имеют плохие допуски (до 100% для алюминия и от 5 до 20% для тантала), плохую температурную стабильность, высокую утечку и короткий срок службы.
Емкости варьируются примерно от 1 мкФ до 1 Ф для алюминия и от 0,001 до 1000 мкФ для тантала, при максимальных номинальных напряжениях от 6 до 450 В.
Керамический конденсатор
Это очень популярный неполяризованный конденсатор, который мал и недорог, но имеет плохую температурную стабильность и низкую точность. Он содержит керамический диэлектрик и фенольное покрытие.
Допуски варьируются от 5 до 100 процентов, а емкости варьируются от 1 пФ до 2,2 мкФ, при максимальном номинальном напряжении от 3 В до 6 кВ.
Майларовый пленочный конденсатор
Это очень популярный неполяризованный конденсатор, который надежен, недорог и имеет низкий ток утечки, но плохую температурную стабильность. Емкости варьируются от 0,001 до 10 мкФ, а номинальные напряжения — от 50 до 600 В.
Слюдяной конденсатор
Это чрезвычайно точное устройство с очень низкими токами утечки. Он изготовлен из чередующихся слоев металлической фольги и слюдяной изоляции, уложенных друг на друга и герметизированных.
Эти конденсаторы имеют малую емкость и часто используются в высокочастотных цепях (например, ВЧ-цепях). Они очень стабильны при переменном напряжении и температуре.
Допуски варьируются от 0,25 до 5 процентов. Емкости варьируются от 1 пФ до 0,01 мкФ, при максимальных номинальных напряжениях от 100 В до 2,5 кВ.
