Докладні відомості про конденсатори

1.Означення

Конденсатор — це електричний компонент, який використовується для зберігання та вивільнення енергії в електричному полі. Коли напруга прикладається до його клем, між провідниками (пластинами) встановлюється електричне поле, що дозволяє конденсатору накопичувати енергію.

 

Одиницею ємності є фарад (Ф). У практичних застосуваннях частіше використовуються менші одиниці, такі як мікрофарад (мкФ), нанофарад (нФ) і пікофаради (пФ).

 

2. Принцип роботи

Конденсатор складається з двох провідних пластин, розділених ізоляційним матеріалом, який називається діелектриком. Коли напруга постійного струму прикладається до пластин, електрони накопичуються на одній пластині, надаючи їй негативний заряд, тоді як рівна кількість електронів видаляється з протилежної пластини, роблячи її позитивно зарядженою.

 

Це поділ заряду створює електричне поле всередині діелектрика. Конденсатор зберігає енергію в цьому електричному полі та зберігає заряд до тих пір, поки діє напруга і немає шляху розряду. Коли вводиться провідний шлях, накопичена енергія вивільняється, коли струм тече через зовнішнє коло.

 

3.Ємність

Ємність C конденсатора залежить від таких факторів:

 

Площа плитиA:Більша площа пластини призводить до більшої ємності.

 

Відстань між пластинамиd:Менша відстань між пластинами збільшує ємність.

 

Діелектрична проникністьε:Тип діелектричного матеріалу впливає на ємність; матеріали з вищою діелектричною проникністю дають вищу ємність.

 

Відношення визначається:

 

 

де:

• Ε — діелектрична проникність діелектричного матеріалу

 

• А — ефективна площа пластин

 

• d – відстань між пластинами

 

4. Одиниця вимірювання ємності

 

Одиницею ємності є фарад (Ф). Оскільки фарад є дуже великою одиницею, більшість практичних конденсаторів оцінюються в менших одиницях, таких як пікофарад (пФ), нанофарад (нФ) і мікрофарад (мкФ).

Ємність показує, скільки електричного заряду конденсатор може накопичити на одиницю напруги. Він визначається співвідношенням:

де:

 

• Q - накопичений заряд,

 

• С - ємність, а

 

• V - прикладена напруга.

 

Таким чином, вища ємність означає, що при тій самій напрузі можна зберігати більше заряду.

 

Важливо зазначити, що ємність сама по собі не є абсолютною ємністю заряду; швидше, це описує зв'язок між зарядом і напругою. Для даної ємності фіксована величина заряду відповідає пропорційній зміні напруги.

 

Номінальна напруга конденсатора означає максимальну напругу, яку він може безпечно витримати без пошкодження. Обсяг накопиченого заряду збільшується як із ємністю, так і з прикладеною напругою.

 

Загалом більші конденсатори (з вищими значеннями ємності) зазвичай мають більші фізичні розміри та вищу вартість.

 

5. Класифікація конденсаторів

Поляризовані конденсатори

Поляризовані конденсатори мають чітко визначені позитивні та негативні висновки. Вони повинні бути підключені з дотриманням правильної полярності; інакше зворотне підключення може спричинити перегрів, витік або навіть розрив і вибух.

 

Рідкі електролітичні конденсатори

Рідкі електролітичні конденсатори є типом поляризованих конденсаторів. Вони мають відносно високу ємність і можуть працювати з вищими рівнями напруги, але вони зазвичай більші за розміром, мають обмежені-високі частоти та помірний термін служби.

 

Ці конденсатори широко використовуються в схемах джерел живлення для фільтрації та згладжування напруги.

 

Типовим прикладом є алюмінієвий електролітичний конденсатор. Його часто встановлюють поблизу джерел живлення для забезпечення накопичення енергії та стабілізації напруги.

 

Твердотільні-електролітичні конденсатори

 

Танталові конденсатори — це тип електролітичних конденсаторів, які використовують металевий тантал як анод і твердий електроліт. Вони належать до категорії твердотільних-електролітичних конденсаторів.

 

Вони пропонують високу ємність на одиницю об’єму (маленький розмір), хорошу стабільність, низький струм витоку та надійну роботу в широкому діапазоні температур.

Однак вони зазвичай мають нижчу напругу порівняно з деякими іншими типами конденсаторів і чутливі до перенапруги та зворотної полярності.

 

Танталові конденсатори поляризовані і повинні бути підключені з правильною полярністю. Вони зазвичай використовуються в-компактних електронних пристроях низької напруги для фільтрації джерела живлення, роз’єднання та аудіопристроїв.

 

Наприклад, танталові конденсатори широко використовуються в мобільних телефонах, а також часто зустрічаються в комп’ютерах.

 

Не-поляризовані конденсатори

 

Керамічні конденсатори

Керамічні конденсатори (також відомі як керамічні дискові конденсатори) є неполяризованими компонентами, тобто вони не мають позитивних або негативних клем і можуть бути підключені в будь-якому напрямку.

 

Вони характеризуються малими значеннями ємності, високою напругою, компактними розмірами та чудовими-високочастотними характеристиками. Завдяки цим властивостям керамічні конденсатори широко використовуються в таких додатках, як розв’язка, фільтрація та зв’язок сигналів в електронних схемах.

 

6. РозміриТолерантність

 

Конденсатори, як правило, мають відносно великі допуски порівняно з іншими електронними компонентами.

 

Для керамічних конденсаторів загальні класи допуску включають:

 

±5% (J)– більш жорстка толерантність

 

±10% (K)– загальновживаний

 

±20% (M)– широко використовується

 

+80% / −20% (Z)– дуже вільна толерантність

 

На практиці:

 

Конденсатори рівня pF-часто використовують допуск ±5%.

 

Конденсатори рівня nF-зазвичай використовують допуск ±10%.

 

конденсатори рівня мкФ-зазвичай використовують допуск ±20%.

 

Електролітичні конденсаторизазвичай оцінюються на ±20% або більше

 

Високоточні-конденсатори використовуються рідше, оскільки багато застосувань конденсаторів-таких як фільтрація джерела живлення та згладжування напруги-не потребують дуже точних значень ємності. Невеликі відхилення зазвичай мають мінімальний вплив на продуктивність схеми.

 

Однак у таких програмах, як радіочастотне узгодження та мережі фільтрів, для забезпечення стабільних частотних характеристик можуть знадобитися більш жорсткі допуски (наприклад, ±5%). Навіть у цих випадках надзвичайно висока точність часто не потрібна, оскільки стандартних допусків достатньо для підтримки належної роботи.

 

7. Розміри конденсатора

 

Для керамічних і танталових конденсаторів розмір упаковки відповідає тому ж стандарту, який використовується для резисторів. Компоненти для поверхневого-монтажу меншого розміру використовують імперські коди, як-от 0201, 0402, 0603 та 0805, тоді як більші пакети також можуть бути виражені в метричних кодах, як-от 2520, 3525 тощо.

 

Для циліндричних електролітичних конденсаторів розміри зазвичай вказуються як діаметр × висота (наприклад, 6 мм × 11 мм).

 

При розробці апаратного забезпечення, як правило, рекомендується залишати трохи більшу площу для конденсаторів, коли це можливо. Наприклад, якщо виділено площу 6 × 11 мм, максимальна типова специфікація може становити близько 100 мкФ, 25 В. Хоча легко замінити менший конденсатор для зниження вартості, оновлення до значно більшої ємності в межах того самого розміру зазвичай неможливе. Наприклад, конденсатор ємністю 470 мкФ, напругою 25 В зазвичай не можна виготовити в корпусі 6 × 11 мм.

 

Це ж міркування стосується керамічних конденсаторів. Наприклад, для корпусу 0805 максимальна загальнодоступна специфікація становить близько 22 мкФ, 6,3 В. Конденсатори з більшою ємністю або більш високою напругою важко отримати в такому розмірі корпусу.