Конденсаторы: назначение, устройство, принцип действия. Принцип работы конденсатора и его технические характеристики

Конденсатор, видимо, есть самый первый прибор, с помощью которого научились достаточно долго удерживать электрические заряды в одном месте.

Если зарядить какой-нибудь диэлектрик трением, например, ту же классическую расческу, потерев ее шерстью, то заряд на ее поверхности останется на некоторое время. Однако ни накопить его, ни как-то использовать не удастся: кроме пары-тройки фокусов с притягиванием к расческе всякого мусора, ничего не выйдет. Металл же зарядить трением вообще невозможно. Все заряды, которые были бы как-то им приняты, на поверхности не удерживаются, а разбегаются сразу по всей массе применяемого металла. Или сбегают с него, благодаря большой площади контакта с воздухом, всегда содержащим влагу, что делает задачу невозможной.

Удалось придумать накопление электричества благодаря свойству притяжения друг к другу зарядов разного знака. Если два листочка из фольги прижать друг к другу, проложив между ними тонкий слой хорошего диэлектрика, то такой сэндвич можно зарядить, прикоснувшись телами, содержащими заряды разного знака, к разным листочкам фольги. Заряды разного знака притягиваются друг к другу и обязательно побегут в фольге навстречу друг другу. Они бы и разрядились, не будь между слоями фольги диэлектрика. И заряды только растекутся каждый по своему листу фольги и, притягиваясь друг к другу, будут находиться в ней достаточно долго.

Вот это и называется конденсатор. Чем больше площадь фольги - тем больше емкость. Чтобы добиться большой площади, фольгу с изолятором сворачивают рулоном - две ленты фольги и две ленты бумаги - и помещают в банку, выводя наружу от каждой ленты по контакту. Снаружи банка запаивается, чтобы предотвратить поступление влаги внутрь. Вездесущая влага же и является причиной, по которой бумажную ленту пропитывают парафином.

а) устройство, б) внешний вид

1 – фольговые обкладки, 2 – внутренние выводы обкладок,
3 – парафинированная бумага, 4 – металлический корпус, 5 – провод

На рисунке изображено, как устроен простейший фольговый автомобильный конденсатор. У него один контакт выведен от одной обкладки наружу проводом, а другим является металлический корпус, внутри присоединенный ко второй обкладке.

Работа конденсатора в электрической цепи

Уже давно мы отошли от понимания электричества в терминах движения, действия зарядов и так далее. Теперь мы мыслим понятиями электрических цепей, где обычными вещами являются напряжения, токи, мощность. И к рассмотрению поведения зарядов прибегаем только, чтобы понять, как работает в цепи какое-нибудь устройство.

Например, конденсатор в простейшей цепи постоянного электрического тока является просто разрывом. Обкладки ведь не соприкасаются друг с другом. Поэтому, чтобы понять принцип действия конденсатора в цепи, придется все-таки вернуться к поведению зарядов.

Зарядка конденсатора

Соберем простую электрическую цепь, состоящую из аккумулятора, конденсатора, резистора и переключателя.

ε c – ЭДС аккумулятора, C – конденсатор, R – резистор, K – переключатель

Когда переключатель никуда не включен, тока в цепи нет. Если подключить его к контакту 1, то напряжение с аккумулятора попадет на конденсатор. Конденсатор начнет заряжаться настолько, насколько хватит его емкости. В цепи потечет ток заряда, который сначала будет довольно большим, а по мере зарядки конденсатора будет уменьшаться, пока совсем не сойдет на нуль.

Конденсатор при этом приобретет заряд такого же знака, как и сам аккумулятор. Разомкнув теперь переключатель К, получим разорванную цепь, но в ней стало два источник энергии: аккумулятор и конденсатор.

Разрядка конденсатора

Если теперь перевести переключатель в положение 2, то заряд, накопленный на обкладках конденсатора, начнет разряжаться через сопротивление R.

Причем, сначала, при максимальном напряжении, и ток будет максимальным, величину которого можно вычислить, зная напряжение на конденсаторе, по закону Ома. Ток будет течь, то есть конденсатор будет разряжаться, а напряжение его падать. Соответственно и ток будет все меньше и меньше. И когда в конденсаторе заряда совсем не останется, ток прекратится.

У ситуации, описанной в этих двух случаях, есть интересные особенности:

Электрическая батарея постоянного напряжения, работая в цепи с конденсатором, дает, тем не менее, переменный ток: при зарядке он изменяется от максимального значения до 0.
Конденсатор, имея некоторый заряд, при разряжении через резистор, даст тоже переменный ток, изменяющийся от максимального значения до 0.
В обоих случаях после непродолжительного действия ток прекращается. Конденсатор в обоих случаях после этого демонстрирует разрыв в цепи - ток больше не течет.

Описанные процессы называются переходными. Они имеют место в электрических цепях с постоянным напряжением питания, когда в них установлены реактивные элементы. После прохождения переходных процессов реактивные элементы перестают влиять на режимы токов и напряжений в электрической цепи. Время, в течение которого переходный процесс завершается, зависит как от емкости конденсатора C, так и от активного сопротивления нагрузки R. Очевидно, что чем они больше, тем больше нужен и интервал времени, пока переходный процесс не завершится.

Параметр, характеризующий время переходного процесса, называется «постоянной времени» для данной схемы, обозначается греческой буквой «тау»:

Произведение сопротивления в омах на емкость в фарадах, если рассмотреть внимательно эти единицы измерения, действительно дает величину в секундах.

Однако переходный процесс разрядки конденсатора - это процесс плавный. То есть, грубо говоря, он не заканчивается никогда.

U c – напряжение на конденсаторе (вольт), U 0 – первоначальное напряжение заряженного конденсатора, t – время (сек)

На рисунке видно, что конденсатор будет разряжаться «всегда», так как чем меньше на нем остается зарядов, тем меньший ток будет бежать по цепи, следовательно, тем медленнее будет идти процесс разрядки. Процесс экспоненциальный. По времени отложены значения в секундах величин, кратных постоянной времени. С некоторых значений можно считать процесс практически законченным, например, при 5t, когда напряжения на конденсаторе осталось порядка 0,7%.

Режим, когда переходный процесс завершен, называется стационарным, или режимом постоянного тока.

Принцип работы на переменном напряжении

Так же, как в механике масса обладает свойством инерции, в электричестве заряд в конденсаторе тоже проявляет инерционность. Действительно, при любых электрических процессах он начинает подзаряжаться (если напряжение на его контактах имеет такую же полярность, как и заряд в нем) или разряжаться (если полярность противоположная). Это влияет на картину токов в цепи, а на синусоидальном токе проявляется как сдвиг фазы между напряжением и током.

Фактически в цепи переменного тока непрерывно происходит переходный процесс.

Переменное напряжение U то подзаряжает, то разряжает конденсатор, в результате этого в нем течет ток I, сдвинутый по времени на 90° от периода колебаний напряжения.

Считается, что конденсатор пропускает переменный ток, причем введен параметр «кажущееся сопротивление конденсатора». Он зависит от емкости конденсатора С и от частоты переменного напряжения ω.

Это реактивное сопротивление, которое используется в расчетах цепей, содержащих инерционные, реактивные компоненты. То есть везде, где применяются конденсаторы и катушки индуктивности.

Назначение компонента

Из рассмотренных свойств ясно, что нужны конденсаторы не как источники электрического питания, а именно как реактивные элементы схем, чтобы создавать определенные режимы переменного/импульсного тока.

Используются конденсаторы настолько многообразно, что здесь, на уровне «конденсатор для чайников», можно перечислить только бегло их применение:

В выпрямителях служат для сглаживания пульсаций тока.
В фильтрах (совместно с резисторами и/или индуктивностями) выступают в роли частотно зависимого элемента для выделения или гашения определенной полосы частот.
В колебательных контурах используется конденсатор, работающий при генерации синусоидального напряжения.
Несут функцию накопителя в устройствах, где нужно обеспечить мгновенное выделение большой энергии в виде импульса - например, в фотовспышках, лазерах и т.д.
Используются в схемах точного управления временными событиями с использованием простейших по строению RC-цепей - реле времени, генераторы одиночных импульсов и т.д.
Фазосдвигающий конденсатор применяется в схемах питания синхронных и асинхронных, а также однофазных и трехфазных двигателей переменного тока.

Кроме собственно прибора «конденсатор», вполне успешно используются в технике явления, в основе которых лежит электрическая емкость.

Уровень можно измерить, используя факт того, что жидкость, поднимаясь в датчике между проводниками, играющими роль обкладок, меняет диэлектрическую проницаемость среды, а, следовательно, и емкость прибора, что он и показывает как изменение уровня.

Аналогично этому, сверхмалые толщины можно измерять, меняя расстояние между двумя проводниками-обкладками или их эффективную площадь.

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.

В электротехнике и радиоэлектронике широкое распространение получили различные виды конденсаторов. Каждый из них представляет собой устройство с двумя полюсами, имеющее определенное или переменное значение емкости и очень малую проводимость. Самый простой вариант конденсатора включает в себя два электрода в виде пластин или обкладок, где накапливаются разряды с противоположным значением. Чтобы избежать замыкания, они разделяются между собой тонкими .

Стандартный выпускаемый конденсатор состоит из электродов в виде многослойного рулона лент, разделяемых диэлектриком. Конфигурация конденсатора, чаще всего, представляет собой параллелепипед или цилиндр.

Как работает конденсатор

В сравнении с обычной батареей, конденсатор имеет существенные отличия. У него совершенно другая максимальная емкость, а также скорость зарядки и разрядки.

При подключении к источнику питания в самом начале ток зарядки будет иметь максимальное значение. Однако, по мере того, как заряд накапливается, наблюдается постепенное уменьшение тока, который полностью пропадает при полном заряде. Напряжение во время зарядки, наоборот, увеличивается и по окончании процесса становится равным напряжению в источнике питания.

Обозначение конденсаторов на схеме.

В случае подключения нагрузки при отключенном источнике питания, конденсатор сам становится источником тока. В этот момент, между пластинами происходит образование цепи. Через нагрузку происходит движение отрицательно заряженных электронов к ионам, обладающим положительным зарядом. В данном случае, вступает в силу закон притяжения разноименных зарядов. При прохождении тока через нагрузку происходит постепенная потеря заряда и, в конечном итоге, разрядка конденсатора. Одновременно, снижается напряжение и ток. Процесс разрядки считается завершенным, когда напряжение на электродах будет равным нулю.

Время зарядки полностью зависит от величины , а время его разрядки находится в зависимости от величины подключаемой нагрузки.

Применение конденсаторов

Конденсаторы, так же как транзисторы и , нашли широкое применение для электронных и радиотехнических схем. В электрических цепях они играют роль емкостного сопротивления. Благодаря способности к быстрой разрядке и созданию импульсов, они применяются в конструкциях фотовспышек, лазерах и ускорителях электромагнитного типа.

Очень эффективны конденсаторы при переключении электродвигателя с 380 на 220 вольт. Во время переключения к третьему выводу, происходит сдвиг фазы на 90 градусов. Таким образом, появляется возможность подключения трехфазного двигателя в однофазную сеть.

В электронике используется множество различных деталей, которые вместе позволяют осуществлять целый ряд действий. Одной из них является конденсатор. И в рамках статьи будет вестись речь о том, что это за механизм, как работает, для чего нужен конденсатор и что он делает в схемах.

Что называется конденсатором?

Конденсатор - это пассивное электрическое устройство, которое в схемах может выполнять различные задачи благодаря умению копить заряд и энергию электрического поля. Но главный спектр применения - это в фильтрах выпрямителей и стабилизаторов. Так, благодаря конденсаторам осуществляется передача сигнала между усилительными каскадами, задаются временные интервалы для выдержки времени, строят фильтры высоких и низких частот. Благодаря своим свойствам он также используется для подборки частоты в разных генераторах.

Данный вид конденсаторов может похвастаться емкостью, которая составляет несколько сотен микрофарад. По подобному принципу устроены и другие представители семейства этой детали электроники. А как проверить конденсатор и убедиться, что реальное положение дел соответствует надписям? Наиболее простой способ - воспользоваться цифровым мультиметром. Также ответ на вопрос, как проверить конденсатор, может дать омметр.

Принцип действия и для чего нужен конденсатор

Из обозначения и схематического изображения можно сделать заключение, что в качестве простейшего конденсатора могут выступить даже две металлические пластины, расположенные рядом. В качестве диэлектрика при этом справится воздух. Теоретически нет никакого ограничения на площадь пластин и расстояние между ними. Поэтому даже при разводе на огромные расстояния и уменьшении их размера, пускай и незначительная, но какая-то емкость сохраняется.

Такое свойство нашло использование в высокочастотной технике. Так, их научились делать даже в виде обычных дорожек печатного монтажа, а также просто скручивая два провода, которые находятся в полиэтиленовой изоляции. При использовании кабеля емкость конденсатора (мкф) увеличивается вместе с длиной. Но следует понимать, что если передаваемый импульс короткий, а провод длинный, то он может просто не дойти до точки назначения. Может использоваться конденсатор в цепи постоянного и переменного тока.

Накопление энергии

При увеличении емкости конденсатора такие процессы, как заряд и разряд протекают медленно. Напряжение на данном электрическом устройстве растёт по кривой линии, которая в математике называется экспонентой. Со временем напряжение конденсатора увеличится от значения в 0В до уровня источника питания (если не перегорит из-за слишком высоких значений последнего).

Электролитический конденсатор

На данный момент самой большой удельной емкостью при соотношении этого показателя и объема детали могут похвастаться электролитические конденсаторы. Их показатель вместимости достигает значений в 100 тысяч микрофарад, а рабочее напряжение до 600 В. Но работают они хорошо исключительно на низких частотах. Для чего нужен конденсатор такого типа? Основная сфера применения - фильтры Электролитические конденсаторы в схемы всегда включаются с соблюдением полярности. Электроды делают из тонкой пленки (которая сделана из оксида металлов). Так как тонкий слой воздуха между ними не является достаточно хорошим изолятором, то также сюда добавляется слой электролита (в качестве него выступают концентрированные растворы щелочей или кислот).

Суперконденсатор

Это новый класс электролитических конденсаторов, который называют ионисторами. Его свойства делают его похожим на аккумулятор, хотя и накладываются определённые ограничения. Так, их преимущество заключается в коротком времени заряда (обычно несколько минут). Для чего нужен конденсатор такого типа? Ионисторы используются как резервные источники питания. При изготовлении они получаются неполярными, и где плюс, а где минус, определяется первой зарядкой (на заводе-производителе).

Значительное влияние на работоспособность оказывает температура и номинальное напряжение. Так, при 70˚C и 0,8 мощности дадут только 500 часов работы. При уменьшении напряжения до 0,6 от номинала, а температуры до 40 градусов срок его службы увеличится до 40 тысяч часов. Найти ионисторы можно в микросхемах памяти или электронных часах. Но вместе с этим имеют неплохие перспективы их использования в солнечных батареях.

Люди, далекие от техники, даже не задумываются, что в конструкции современных электроприборов стоят различные элементы, благодаря которым и работает эта техника. Они даже не понимают о чем идет речь, когда окружающие их знатоки ведут разговоры о технике. Но иногда любопытство берет верх, и они начинают задавать вопросы. Например, зачем нужен конденсатор?

Чтобы удовлетворить любопытство, постараемся объяснить его функции и выявить, в каких областях конденсаторы нашли свое применение.

Что такое конденсатор?

Конденсатор, по-народному – «кондер», устройство, которое используется в электрических цепях для накопления электрической энергии. Конденсаторы применяются при фильтрации помех, в сглаживающих фильтрах в источниках электропитания, цепях межкаскадовых связей и во многих других областях радиотехники.

Конструкция и средства использующихся материалов определяют электрическую характеристику «кондера». В устройство конденсатора входят обкладки (или пластины), находящиеся друг перед другом. Делают их из токопроводящего и изолирующего материала. В качестве изоляции могут выступать слюда или бумага.

Емкость у конденсатора может быть разной. Она увеличивается в размерах пропорционально площади обкладок, а ее уменьшение происходит в зависимости от расстояния между ними. Очень важным является рабочее напряжения конденсатора. Если превысить максимальное напряжение, конденсатор может сломаться из-за пробоя диэлектрика.

Как все начиналось

Принцип изготовления этого устройства был известен довольно давно, благодаря немецкому физику Эвальду Юргену фон Клейсту и его нидерландскому коллеге Питеру ван Мушенбруку. Именно они были создателями первого в мире конденсатора. Их детище было значительно примитивнее современных собратьев, ведь диэлектриком выступали стенки банки из стекла. В наши дни технологии намного совершеннее, да и создание новых материалов весьма улучшило конструкцию конденсатора.

Гениальный электротехник Павел Яблочков также смог достичь выдающихся результатов в разработке конденсаторов и в их использовании. На эту тему он создал множество публикаций. Павел Николаевич прекрасно понимал зачем нужен конденсатор , поэтому одним из первых включил «кондер» в цепь перемежающегося тока. Это имело огромное значение для развития и становления электро- и радиотехники.

В наши дни существует многообразие конденсаторов, но в основе всех их лежат две металлические пластины, которые находятся в изоляции друг от друга.

Где применяются конденсаторы

Конденсаторы окружают нас во многих областях, занимая особую нишу в электронике.

Телевизионная или радиотехническая аппаратура без конденсаторов не обойдется. Их применяют для фильтров-выпрямителей, создания и настройки колебательных контуров, разделения цепей с разной частотой и многого другого.
Радиолокационная техника использует их, чтобы получить импульсы большей мощности, а также для формирования импульсов.
Для искрогашения в контактах, разделения токов разной частоты, разделения цепей постоянного и переменного токов «кондеры» нужны в телеграфии и телефонии.
В телемеханике и автоматике с их помощью создают датчики на емкостном принципе. Здесь также нужно искрогашение в контактах, разделение цепей токов и т.д.
В специальных устройствах для запоминания, что используются в счетно-решающей технике.
Для получения мощных импульсов в лазерной технике.

Современная электроэнергетика тоже использует во всю это изобретение: для подключения к линии передачи нужной аппаратуры, чтобы повысить коэффициент мощности, для регулировки напряжения в распределительных сетях, чтобы защитить от перенапряжения, для электрической сварки, подавления радиопомех и много другого.

Зачем нужен конденсатор еще? Для металлопромышленности, автотракторной и медицинской техники, для использования атомной энергии, в фотографической технике для получения световой вспышки и аэрофотосъемки. Даже добывающая промышленность не обходится без конденсаторов. Одни конденсаторы могут быть совсем крошечными и весить меньше одного грамма, другие их «сотоварищи» поражают весом в несколько тонн и высотой более двух метров.

Огромное разнообразие типов конденсаторов дало возможность применять их в различных сферах деятельности, поэтому без них нам никак не обойтись.