Подробные сведения о конденсаторах

1. Определение

Конденсатор — это электрический компонент, используемый для хранения и высвобождения энергии в электрическом поле. Когда на его клеммы подается напряжение, между проводниками (обкладками) создается электрическое поле, позволяющее конденсатору накапливать энергию.

 

Единицей емкости является фарад (Ф). В практических приложениях чаще используются более мелкие единицы, такие как микрофарады (мкФ), нанофарады (нФ) и пикофарады (пФ).

 

2. Принцип работы

Конденсатор состоит из двух проводящих пластин, разделенных изолирующим материалом, называемым диэлектриком. Когда к пластинам прикладывается постоянное напряжение, электроны накапливаются на одной пластине, придавая ей отрицательный заряд, в то время как такое же количество электронов удаляется с противоположной пластины, делая ее положительно заряженной.

 

Такое разделение зарядов создает электрическое поле внутри диэлектрика. Конденсатор накапливает энергию в этом электрическом поле и сохраняет заряд до тех пор, пока приложено напряжение и нет пути разряда. Когда вводится проводящий путь, накопленная энергия высвобождается по мере прохождения тока через внешнюю цепь.

 

3. Емкость

Емкость C конденсатора зависит от следующих факторов:

 

Площадь плитыA:Большая площадь пластины приводит к более высокой емкости.

 

Расстояние между пластинамиd:Меньшее расстояние между пластинами увеличивает емкость.

 

Диэлектрическая проницаемостьε:Тип диэлектрического материала влияет на емкость; материалы с более высокой диэлектрической проницаемостью дают более высокую емкость.

 

Связь определяется:

 

 

где:

• Ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрического материала.

 

• A – эффективная площадь пластин.

 

• d — расстояние между пластинами

 

4. Единица емкости

 

Единицей емкости является фарад (Ф). Поскольку фарад — очень большая единица измерения, большинство практичных конденсаторов оцениваются в меньших единицах, таких как пикофарады (пФ), нанофарады (нФ) и микрофарады (мкФ).

Емкость показывает, сколько электрического заряда может хранить конденсатор на единицу напряжения. Это определяется соотношением:

где:

 

• Q – накопленный заряд,

 

• C - емкость, а

 

• V – приложенное напряжение.

 

Таким образом, более высокая емкость означает, что при том же напряжении может храниться больше заряда.

 

Важно отметить, что емкость сама по себе не представляет собой абсолютную зарядную емкость; скорее, он описывает взаимосвязь между зарядом и напряжением. Для данной емкости фиксированное количество заряда соответствует пропорциональному изменению напряжения.

 

Номинальное напряжение конденсатора означает максимальное напряжение, которое он может безопасно выдержать без повреждений. Количество накопленного заряда увеличивается как с увеличением емкости, так и с увеличением приложенного напряжения.

 

Как правило, конденсаторы большего размера (с более высокими значениями емкости), как правило, имеют большие физические размеры и более высокую стоимость.

 

5. Классификация конденсаторов.

Поляризованные конденсаторы

Поляризованные конденсаторы имеют четко определенные положительные и отрицательные клеммы. Они должны быть подключены с соблюдением правильной полярности; в противном случае обратное подключение может привести к перегреву, утечке или даже разрыву и взрыву.

 

Жидкостные электролитические конденсаторы

Жидкостные электролитические конденсаторы представляют собой разновидность поляризованных конденсаторов. Они обладают относительно высокой емкостью и могут выдерживать более высокие уровни напряжения, но обычно они больше по размеру, имеют ограниченные-частотные характеристики и умеренный срок службы.

 

Эти конденсаторы широко используются в цепях питания для фильтрации и сглаживания напряжения.

 

Типичным примером является алюминиевый электролитический конденсатор. Его часто устанавливают рядом с источниками питания для хранения энергии и стабилизации напряжения.

 

Твердотельные-электролитические конденсаторы

 

Танталовые конденсаторы — это тип электролитических конденсаторов, в которых в качестве анода и твердого электролита используется металлический тантал. Они относятся к категории твердотельных электролитических конденсаторов.

 

Они обладают высокой емкостью на единицу объема (маленький размер), хорошей стабильностью, низким током утечки и надежной работой в широком диапазоне температур.

Однако они обычно имеют более низкие номинальные напряжения по сравнению с некоторыми другими типами конденсаторов и чувствительны к перенапряжению и обратной полярности.

 

Танталовые конденсаторы поляризованы и должны быть подключены с соблюдением правильной полярности. Они обычно используются в низковольтных компактных электронных устройствах для фильтрации, развязки источников питания и аудиоприложений.

 

Например, танталовые конденсаторы широко используются в мобильных телефонах, а также часто встречаются в компьютерах.

 

Не-поляризованные конденсаторы

 

Керамические конденсаторы

Керамические конденсаторы (также известные как керамические дисковые конденсаторы) представляют собой не-поляризованные компоненты, то есть у них нет положительных или отрицательных клемм, и их можно подключать в любом направлении.

 

Они характеризуются небольшими значениями емкости, высоким номинальным напряжением, компактными размерами и отличными-частотными характеристиками. Благодаря этим свойствам керамические конденсаторы широко используются в таких приложениях, как развязка, фильтрация и передача сигналов в электронных схемах.

 

6. Допуск размеров

 

Конденсаторы обычно имеют относительно широкие допуски по сравнению с другими электронными компонентами.

 

Для керамических конденсаторов общие классы допуска включают:

 

±5% (J)- более жесткая толерантность

 

±10% (K)– обычно используемый

 

±20% (M)– широко используется

 

+80% / −20% (Z)- очень свободная толерантность

 

На практике:

 

Конденсаторы уровня пФ-часто используйте допуск ±5%

 

Конденсаторы уровня нФ-обычно используют допуск ±10 %

 

Конденсаторы уровня мкФ-обычно используют допуск ±20%

 

Электролитические конденсаторыобычно оцениваются в ± 20% или выше

 

Конденсаторы высокой-прецизионной точности используются реже, поскольку многие приложения с конденсаторами,-такие как фильтрация источников питания и сглаживание напряжения-, не требуют высокоточных значений емкости. Небольшие отклонения обычно оказывают минимальное влияние на работу схемы.

 

Однако в таких приложениях, как РЧ-согласование и сети фильтров, могут потребоваться более жесткие допуски (например, ±5%) для обеспечения стабильных частотных характеристик. Даже в этих случаях чрезвычайно высокая точность зачастую не требуется, поскольку для обеспечения правильной работы достаточно стандартных допусков.

 

7. Размеры конденсатора

 

Размеры корпуса керамических и танталовых конденсаторов соответствуют тем же стандартам, что и резисторы. Меньшие компоненты для поверхностного-монтажа используют британские коды, такие как 0201, 0402, 0603 и 0805, тогда как более крупные корпуса также могут быть выражены в метрических кодах, таких как 2520, 3525 и т. д.

 

Для цилиндрических электролитических конденсаторов размеры обычно указываются как диаметр × высота (например, 6 мм × 11 мм).

 

При проектировании аппаратного обеспечения обычно рекомендуется по возможности зарезервировать для конденсаторов немного большую площадь. Например, если выделена площадь 6 × 11 мм, максимальная типичная спецификация может составлять около 100 мкФ, 25 В. Хотя для снижения затрат легко заменить конденсатор меньшего размера, переход на значительно более высокую емкость при том же размере обычно невозможен. Например, конденсатор емкостью 470 мкФ, 25 В обычно не может быть изготовлен в корпусе размером 6 × 11 мм.

 

То же самое относится и к керамическим конденсаторам. Например, для корпуса 0805 максимальная общедоступная характеристика составляет около 22 мкФ, 6,3 В. Конденсаторы с более высокой емкостью или более высоким номинальным напряжением трудно получить в этом размере корпуса.