ХАРАКТЕРИСТИКА КОНДЕНСАТОРА

Слюдяной герметичный конденсатор в металлостеклянном корпусе типа «СГМ» для навесного монтажа

Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность ёмкости, величину потерь и др.

По виду диэлектрика различают:

Керамический подстроечный конденсатор

Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения своей ёмкости:

В зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят наиболее распространённые низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы.

Также различают конденсаторы по форме обкладок: плоские, цилиндрические, сферические и другие.

Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит зарядка или перезарядка конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течёт, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора, замыкаясь так называемым током смещения.

В методе гидравлических аналогий конденсатор — это гибкая мембрана, вставленная в трубу. Анимация демонстрирует мембрану, которая растягивается и сокращается под действием потока воды, что аналогично заряду и разряду конденсатора под действием электрического тока

С точки зрения метода комплексных амплитуд конденсатор обладает комплексным импедансом

где  — мнимая единица,
 — циклическая частота (радиан/с) протекающего синусоидального тока,
 — частота в герцах,
 — ёмкость конденсатора (фарад).

Отсюда также следует, что реактивное сопротивление конденсатора равно Для постоянного тока частота равна нулю, следовательно, для постоянного тока реактивное сопротивление конденсатора формально бесконечно.

При изменении частоты изменяются диэлектрическая проницаемость диэлектрика и степень влияния паразитных параметров — собственной индуктивности и сопротивления потерь. На высоких частотах любой конденсатор можно рассматривать как последовательный колебательный контур, образуемый ёмкостью собственной индуктивностью и сопротивлением потерь

Резонансная частота конденсатора равна:

При конденсатор в цепи переменного тока ведёт себя как катушка индуктивности. Поэтому конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах , на которых его реактивное сопротивление носит ёмкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 2—3 раза ниже резонансной.

Конденсатор может накапливать электрическую энергию. Энергия заряженного конденсатора:

где  — напряжение (разность потенциалов), до которого заряжен конденсатор,
 — электрический заряд на одной из обкладок.

Максимальное рабочее напряжение на конденсаторе

Все конденсаторы имеют какое-то предельное напряжение, которое можно на них подавать. Дело все в том, что может произойти пробой диэлектрика, и конденсатор выйдет из строя. Чаще всего это напряжение пишут на самом корпусе конденсатора. Например, на электролитическом конденсаторе.

максимальное рабочее напряжение конденсатора

В технической документации этот параметр чаще всего обозначается, как WV, что с английского Working Voltage (рабочее напряжение), или DC WV — Direct Current Working Voltage — постоянное рабочее напряжение конденсатора.

Здесь есть один нюанс, о котором часто забывают. Дело в том, что на конденсаторе написано именно на какое постоянное напряжение он рассчитан, а не переменное. Если такой конденсатор, как на рисунке выше, с максимальным рабочим напряжением в 50 Вольт вставите в цепь переменного тока с источником питания, который выдает 50 Вольт переменного тока, то ваш конденсатор взорвется. Так как 50 Вольт переменного тока — это действующее напряжение. Его максимальное значение будет 50 × √2 = 70,7 Вольт, что намного больше, чем 50 Вольт.

Плоский конденсатор и его емкость

Плоским конденсатором называют конденсатор, который состоит из двух одинаковых пластин, которые параллельны друг другу. Пластины могут быть разной формы. На практике чаще всего можно встретить квадратные, прямоугольные и круглые пластины. Давайте рассмотрим простой плоский квадратный конденсатор.

d — расстояние между пластинами конденсатора, м

S — площадь самой наименьшей пластины, м2

— диэлектрическая проницаемость диэлектрика между обкладками конденсатора

Готовая формула для плоского конденсатора будет выглядеть так:

С — емкость конденсатора, ф

ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика

ε0 — диэлектрическая постоянная, ф/м

d — расстояние между пластинами, м

Да, знаю, у вас сразу возникает вопрос: «А что такое диэлектрическая постоянная?» Диэлектрическая постоянная — это постоянная величина, которая нужная для вычислений в некоторых формулах электромагнетизма. Ее значение равняется 8, 854 × 10-12 ф/м.

Диэлектрическая проницаемость — эта величина зависит от типа диэлектрика, который находится между обкладками конденсатора. Например, для воздуха и вакуума это значение равняется 1, для некоторых других веществ можете посмотреть в таблице.

Какой можно сделать вывод из этой формулы? Хотите сделать конденсатор с огромной емкостью, делайте площадь пластин как можно больше, расстояние между пластинами как можно меньше и заправляйте вместо диэлектрика дистиллированную воду.

В настоящее время конденсаторы делают из нескольких пластин в виде слоеного торта. Это примерно выглядит вот так.

В этом случае формула такого конденсатора примет вид:

формула многослойного конденсатора

где n — это количество пластин

Последовательное и параллельное соединение конденсаторов

При последовательном соединении  конденсаторов

последовательное соединение конденсаторов

Их общая емкость будет вычисляться по формуле

последовательное сопротивление конденсаторов формула

а при параллельном соединении

параллельное соединение конденсаторов

формула параллельного соединения конденсаторов

Также в интернете нашел очень интересное видео по теме конденсаторов

Как проверить конденсатор мультиметром

Маркировка конденсаторов

В этом разделе будут приведены рекомендации по расшифровке обозначений только наиболее часто применяемых керамических и плёночных компонентов. Связано это с тем, что «электролиты», как правило, получают полную маркировку на своём корпусе и не требуют специальных мер по расшифровке информации, а радиокомпоненты для поверхностного монтажа вовсе не содержат никакого ни буквенно-цифрового, ни цветового маркирования, поэтому их эксплуатационные параметры определяются опытным путём.

Например, с помощью высокоточного измерителя RLC XJW01. Фирменные компоненты, имеющие сложную буквенно-цифровую маркировку и цветовую идентификацию, должны расшифровываться с использованием документации производителя.

Маркировка малогабаритных керамических конденсаторов состоит из трёх цифр:

Первые две цифры — номинал в пФ, а третья — множитель (или степень), т. е. сколько раз номинальное значение умножается на 10:

Иногда множитель 0 не маркируется. Тогда маркировка будет тождественна его ёмкости в пФ;

У плёночных компонентов маркировка в большинстве случаев аналогична керамическим. Однако может дополнительно маркироваться предельно допустимое напряжение и допуск, т. е. возможное отклонение ёмкости от номинала, кодируемое латинской литерой:

Таблица маркировки допуска представлена ниже:

Разработанный более 280 лет назад конденсатор претерпел значительную эволюцию от «лейденской банки» до новейших миниатюрных элементов с высокой удельной ёмкостью и надёжностью.

Наряду с резистором, это наипростейший, но важный компонент. Но в простоте его конструкции и применения скрыта широчайшая универсальность: практически ни один радиоэлектронный прибор не обходится без конденсаторов. Их можно встретить и в архаичных радиоприемниках и на платах ультрасовременных компьютеров; они «трудятся» на большой глубине в шахтном оборудовании и «летают» в космос.

Можно смело заявить, что, как и резистор, — это основа электротехнических устройств, и отказаться от него в пользу чего-то другого не представляется возможным.

Формула сопротивления конденсатора

С помощью физико-математических преобразований физики и математики вывели формулу для расчета сопротивления конденсатора. Прошу любить и жаловать:

где, ХС  — это сопротивление конденсатора, Ом

П — постоянная и равняется приблизительно 3,14

F — частота, измеряется в Герцах

С — емкость,  измеряется в Фарадах

Так вот, поставьте в эту формулу частоту в  ноль Герц. Частота в ноль Герц — это и есть постоянный ток. Что получится? 1/0=бесконечность или очень большое сопротивление. Короче говоря, обрыв цепи.

Ток утечки конденсатора

Дело все в том, что какой бы ни был диэлектрик, конденсатор все равно рано или поздно разрядится, так как через диэлектрик, как ни странно, все равно течет ток. Величина этого тока у разных конденсаторов тоже разная. Электролитические конденсаторы обладают самым большим током утечки.

Также ток утечки зависит от напряжения между обкладками конденсатора. Здесь уже работает закон Ома: I=U/Rдиэлектрика . Поэтому, никогда не стоит подавать напряжение больше, чем максимально рабочее напряжение, прописанное в даташите или на самом конденсаторе.

Зависимость между пробивным напряжением и временем , в течение которого это напряжение приложено к зажимам конденсатора. Определяется эмпирической формулой где  — постоянный коэффициент, зависящий от свойств диэлектрика,

Интенсивность отказов за 1 час работы в нормальных условиях. Среднее время до первого внезапного отказа: , где  — постоянный коэффициент, зависящий от свойств диэлектрика,  — допускаемое напряжение,  — рабочее напряжение.

Влияние температуры на срок службы выражается формулой: где для бумажных, слюдяных и керамических конденсаторов постоянной ёмкости, для стеклоплёночных, и  — сроки службы конденсатора при температурах и соответственно.

Сравнение конденсаторов постоянной ёмкости

12 пФ, 20 кВ вакуумный конденсатор постоянной ёмкости с урановым стеклом у места входа в колбу выводов

Наибольшее распространение получили алюминиевые электролитические конденсаторы, в которых в качестве одной из обкладок применяется алюминиевая фольга. Также распространены и электролитические конденсаторы, в которых металлическим электродом выступает пористая металлическая губка из тантала или ниобия, поверхность которой покрыта оксидными плёнками. Второй обкладкой электролитического конденсатора служит жидкий или твёрдый электролит — вещество или композиция веществ, обеспечивающих электропроводность и сохранение оксидной плёнки.

Электрохимические процессы получения и стабилизации оксидной плёнки диэлектрика требует определённой полярности напряжения на границе металл-электролит. Металлический электрод должен быть анодом (то есть обладать положительным потенциалом), а электролит — катодом (отрицательный потенциал). Несоблюдение полярности вызывает потерю диэлектрических свойств оксидной плёнки и возможное короткое замыкание между обкладками. Если источник этого отрицательного напряжения не ограничивает ток на безопасном низком уровне, то электролит нагреется протекающим током, закипит и давление образующихся газов разорвёт корпус конденсатора. Выпускаются и так называемые неполярные электролитические конденсаторы, в которых конструктивно размещено два встречно-последовательно включённых обычных полярных электролитических конденсатора, которые допускают изменение полярности приложенного напряжения.

Состав электролита подбирается таким образом, чтобы в процессе работы восстанавливались мелкие повреждения в оксидной плёнке электрохимическим анодированием при рабочих напряжениях конденсатора. Однако при этом химическом процессе электролиза выделяется газ, давление которого приводит к вздутию корпуса и даже его возможному разрыву. Также к вскипанию электролита может приводить большой ток через конденсатор, например при обратной полярности включения или при протекании большого реактивного тока при больших пульсациях напряжения на конденсаторе.

Для конденсаторов с жидким электролитом существует проблема высыхания, когда растворитель из электролита испаряется из конденсатора через неплотности герметизации корпуса. При высыхании конденсатор теряет ёмкость и увеличивается последовательное паразитное сопротивление.

Особенности применения электролитических конденсаторов

Современные конденсаторы, разрушившиеся без взрыва благодаря специальной разрывающейся конструкции верхней крышки. Конденсаторы со вздувшейся или разорванной крышкой обычно практически непригодны и требуют замены.

Электролитические конденсаторы (в радиотехнике часто используется бытовое название — «электролиты») являются низкочастотными элементами электрической цепи, их редко применяют для работы на частотах выше 30 кГц. В основном они служат для сглаживания пульсирующего тока в цепях выпрямителей переменного тока. Например, электролитические конденсаторы широко используются в звуковоспроизводящей и звукоусилительной технике. Межкаскадные в многокаскадных усилителях электролитические конденсаторы разделяют пульсирующий ток (ток звуковой частоты + постоянная составляющая) на переменную составляющую — ток звуковой частоты, который подаётся на следующий каскад усиления и постоянную составляющую, которая не проходит на последующий каскад усиления. Такие конденсаторы называют разделительными.

В связи с тем, что электролитические конденсаторы полярны, при работе на их обкладках должно поддерживаться не изменяющее знака напряжение, что является их некоторым недостатком. Включение конденсатора в электрическую цепь с обратной к рабочей полярностью вызывает увеличение тока утечки, деградации параметров, и даже может привести к взрыву конденсатора при достаточной мощности цепи. По этой причине их можно применять только в цепях, где полярность напряжения на конденсаторе неизменна (с пульсирующим или постоянным напряжением).

Широко распространённые алюминиевые конденсаторы по сравнению с другими конденсаторами имеют некоторые специфические свойства, которые следует учитывать при их использовании. За счёт того, что алюминиевые обкладки электролитических конденсаторов скручены в рулон для помещения в цилиндрический корпус, образуется паразитная последовательная индуктивность, эта индуктивность во многих применениях нежелательна.

На верхней части цилиндрического корпуса некоторых электролитических конденсаторов выполнена защитная насечка — предохранительный клапан. Если конденсатор работает в сильноточной цепи переменного напряжения, то он разогревается и жидкий электролит расширяется, испаряется. Корпус конденсатора может лопнуть от избыточного внутреннего давления. Поэтому и применяется защитный клапан, разрушающийся под действием избыточного давления и предотвращающий взрыв корпуса конденсатора с выпуском паров электролита наружу.

Из-за невозможности достичь достаточной герметизации корпуса в некоторых конструкциях электролитических конденсаторов жидкий электролит со временем высыхает. При этом теряется ёмкость конденсатора и увеличивается последовательное сопротивление. Также ускоренному высыханию электролита способствует повышенная температура эксплуатации. Поэтому на корпусе практически любого электролитического конденсатора обычно указывается допустимый диапазон рабочей температуры. Например, от −40 до +105 °C.

Применение конденсаторов и их работа

Батарея конденсаторов 150 кВ 75 МВ·А на электрической подстанции

Конденсаторы находят применение практически во всех областях электротехники.

Из чего состоит конденсатор

Любой конденсатор состоит из двух или более металлических обкладок, которые не соприкасаются друг с другом. Для более полного понимания, как все это устроено в конденсаторе, давайте представим себе блин.

намажем его сгущенкой

и сверху положим точно такой же блин

Должно выполняться условие: эти два блина не должны прикасаться  друг  с другом. То есть верхний блин должен лежать на сгущенке и не прикасаться с нижним блином. Тут, думаю, все понятно. Перед вами типичный «блинный конденсатор» :-). Вот таким образом устроены все конденсаторы, только вместо блинов используются тонкие металлические пластины, а вместо сгущенки различный диэлектрик. В качестве диэлектрика может быть воздух, бумага, электролит, слюда, керамика, и так далее. К каждой металлической пластине подсоединены проводки — это выводы конденсатора.

Схематически все это выглядит примерно вот так.

Как вы могли заметить, из-за диэлектрика конденсатор не может проводить ток. Но это относиться только к постоянному току. Переменный ток конденсатор пропускает через себя без проблем с небольшим сопротивлением, номинал которого зависит от частоты тока и емкости самого конденсатора.

Конструкция электролитического конденсатора

Электролитические конденсаторы устроены, как правило, следующим образом: слой электролита заключается между электродами с металлическим типом проводимости, один из которых покрыт тонким слоем диэлектрика (оксидной плёнкой). За счёт чрезвычайно малой толщины диэлектрика, ёмкость конденсатора достигает значительных величин. Однако, соприкосновение двух проводящих пластин, разделённых тонким диэлектриком не является идеальным, для устранения воздушного зазора, в пространство между пластинами вводят электролит.

По типу наполнения электролитом электролитические конденсаторы можно разделить на: жидкостные, сухие, оксидно-полупроводниковые и оксидно-металлические.

В жидкостных конденсаторах используют жидкий электролит, для увеличения ёмкости анод изготавливают объёмно-пористым, например, путём прессования порошка металла и спекания его при высокой температуре.
В сухих конденсаторах применяется вязкий электролит. В этом случае конденсатор, изготавливается из двух лент фольги (оксидированной и неоксидированной), между которыми размещается прокладка из бумаги или ткани, пропитанная электролитом.

В оксидно-полупроводниковых конденсаторах в качестве катода используется проводящий оксид (диоксид марганца).

В оксидно-металлических конденсаторах функции катода выполняет металлическая плёнка оксидного слоя.

Изготовляемые промышленностью алюминиевые электролитические конденсаторы состоят из двух тонких алюминиевых пластин фольги. Между пластинами помещается прокладка — пористая бумага, пропитанная электролитом. Фольга и прокладка сворачивается в рулон и помещается в корпус через который сделаны два электрических вывода. Под химическим действием электролита при приложении электрического напряжения поверхность алюминиевой фольги анода окисляется, — на поверхности фольги образуется тонкий слой диэлектрика — оксида алюминия.

При напряжении обратной полярности процесс регенерации диэлектрического слоя прекращается, он постепенно разрушается, приводя к повышенным значениям токов утечки, что может привести к повреждению электрической схемы, причем отказ конденсатора в сильноточных цепях сопровождается выделением тепла, выделением дыма и газов внутри конденсатора, что может привести к разрушению его корпуса. Поэтому электролитические конденсаторы предназначены для работы лишь в цепях с пульсирующим напряжением одной полярности, либо в цепях с постоянным током.

Маркировка советских и российских конденсаторов

Существуют две системы обозначения советских/российских конденсаторов: буквенная (старая) и цифровая (новая).

Старая система обозначений

Для того, чтобы узнать, как ведет себя конденсатор в цепи переменного тока, нам надо собрать простейшую схему, которая представляет из себя делитель напряжения. Смысл опыта такой: с помощью генератора частоты мы будем менять только частоту, а амплитуду оставим неизменной. По сути красная точка нам будет показывать сигнал с генератора частоты, а желтая — сигнал на резисторе. Снимая сигнал с резистора, мы можем косвенно узнать, как ведет себя конденсатор исходя из законов делителя напряжения.

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = CU). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до тысяч микрофарад. Однако существуют конденсаторы (ионисторы) с ёмкостью до десятков фарад.

Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью каждая, расположенных на расстоянии друг от друга, в системе СИ выражается формулой:

где  — диэлектрическая проницаемость среды, заполняющая пространство между пластинами (в вакууме равна единице),
 — электрическая постоянная, численно равная

Эта формула справедлива, лишь когда намного меньше линейных размеров пластин.

Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею:

Если у всех параллельно соединённых конденсаторов расстояние между обкладками и свойства диэлектрика одинаковы, то эти конденсаторы можно представить как один большой конденсатор, разделённый на фрагменты меньшей площади.

При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы, так как от источника питания они поступают только на внешние электроды, а на внутренних электродах они получаются только за счёт разделения зарядов, ранее нейтрализовавших друг друга.
Общая ёмкость батареи последовательно соединённых конденсаторов равна:

Эта ёмкость всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора, входящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения.

Если площадь обкладок всех конденсаторов, соединённых последовательно, одинакова, то эти конденсаторы можно представить в виде одного большого конденсатора, между обкладками которого находится стопка из пластин диэлектрика всех составляющих его конденсаторов.

Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью — отношением ёмкости к объёму (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя.

Плотность энергии электролитического конденсатора зависит от конструктивного исполнения. Максимальная плотность достигается у больших конденсаторов, где масса корпуса невелика по сравнению с массой обкладок и электролита. Например, у конденсатора EPCOS B4345 с ёмкостью 12 000, максимально допустимым напряжением и массой плотность энергии при максимальном напряжении составляет или
Особенно важен этот параметр при использовании конденсатора в качестве накопителя энергии, с последующим мгновенным её высвобождением, например, в пушке Гаусса.

Другой не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. Эксплуатационное напряжение на конденсаторе должно быть не выше номинального.

Современные конденсаторы, разрушившиеся без взрыва благодаря специальной разрывающейся конструкции верхней крышки. Разрушение возможно из-за нарушения режима эксплуатации (температуры, напряжения, полярности) или старения. Конденсаторы с разорванной крышкой практически неработоспособны и требуют замены, а если она просто вздувшаяся, но ещё не разорвана, то, скорее всего, скоро он выйдет из строя или сильно изменятся параметры, что сделает его использование невозможным.

Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком.
При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса.

Опасность разрушения (взрыва)

Взрывы электролитических конденсаторов — довольно распространённое явление. Основной причиной взрывов является перегрев конденсатора, вызываемый в большинстве случаев утечкой или повышением эквивалентного последовательного сопротивления вследствие старения (актуально для импульсных устройств). В современных компьютерах перегрев конденсаторов — частая причина выхода их из строя вследствие близкого расположения с источниками тепла, например, рядом с радиатором охлаждения.

Для уменьшения повреждений других деталей и травматизма персонала в современных конденсаторах большой ёмкости устанавливают вышибной предохранительный клапан или выполняют надсечку корпуса (часто её можно заметить в виде креста или в форме букв X, Y, K или Т на торце цилиндрического корпуса, иногда, на крупногабаритных конденсаторах, она покрыта пластиком). При повышении внутреннего давления вышибается пробка клапана или корпус разрушается по надсечке, пары электролита выходят в виде едкого газа и даже брызг жидкости. При этом разрушение корпуса конденсатора происходит без взрыва, разбрасывания обкладок и сепаратора.

Взорвавшийся электролитический конденсатор на печатной плате жидкокристаллического монитора. Видны волокна бумажного сепаратора обкладок и развернувшиеся фольговые алюминиевые обкладки.

Старые электролитические конденсаторы выпускались в герметичных корпусах и в конструкции их корпусов не предусматривалась защита от взрыва. Скорость разлёта осколков при взрыве корпуса устаревших конденсаторов может быть достаточной для того, чтобы травмировать человека.

В отличие от электролитических, взрывоопасность танталовых (оксиднополупроводниковых) конденсаторов связана с тем, что такой конденсатор фактически представляет собой взрывчатую смесь: в качестве горючего служит тантал, а в качестве окислителя — двуокись марганца, и оба этих компонента в конструкции конденсатора перемешаны в виде тонкого порошка. При пробое конденсатора или при изменении полярности напряжения, выделившееся при протекании тока тепло инициирует реакцию между данными компонентами, протекающую в виде сильной вспышки с хлопком, что сопровождается разбрасыванием искр и осколков корпуса. Сила такого взрыва довольно велика, особенно у крупных конденсаторов, и способна повредить не только соседние радиоэлементы, но и плату. При тесном расположении нескольких конденсаторов возможен прожог корпусов соседних конденсаторов, что приводит к одновременному взрыву всей группы.

Реальные конденсаторы, помимо ёмкости, обладают также собственными последовательным и параллельным сопротивлением и индуктивностью. С достаточной для практики точностью эквивалентную схему реального конденсатора можно представить как показано на рисунке, где все двухполюсники подразумеваются идеальными.

Эквивалентная схема реального конденсатора и некоторые формулы. C0 — собственная ёмкость конденсатора; Rd — сопротивление изоляции конденсатора; Rs — эквивалентное последовательное сопротивление; Li — эквивалентная последовательная индуктивность.

Зависимость модуля импеданса реального конденсатора от частоты и формула импеданса.

Электрическое сопротивление изоляции диэлектрика конденсатора, поверхностные утечки и саморазряд

Сопротивление изоляции — это сопротивление конденсатора постоянному току, определяемое соотношением:

где  — напряжение, приложенное к конденсатору;
 — ток утечки.

Из-за тока утечки, протекающего через слой диэлектрика между обкладками и по поверхности диэлектрика, предварительно заряженный конденсатор с течением времени теряет заряд (саморазряд конденсатора). Часто в спецификациях на конденсаторы сопротивление утечки определяют через постоянную времени саморазряда конденсатора, которая численно равна произведению ёмкости на сопротивление утечки:

где  — время, за которое начальное напряжение на конденсаторе, неподключенном ко внешней цепи, уменьшится в e раз.

Хорошие конденсаторы с полимерными и керамическими диэлектриками имеют постоянные времени саморазряда, достигающие многих сотен тысяч часов.

Эквивалентное последовательное сопротивление — Rs

Эквивалентное последовательное сопротивление обусловлено главным образом электрическим сопротивлением материала обкладок и выводов конденсатора и контактов между ними, а также учитывает потери в диэлектрике. Обычно ЭПС возрастает с увеличением частоты тока, протекающего через конденсатор, вследствие поверхностного эффекта.

В большинстве практических случаев этим параметром можно пренебречь, но иногда (напр., в случае использования электролитических конденсаторов в фильтрах импульсных блоков питания) достаточно малое его значение существенно для надёжности и устойчивости работы устройства. В электролитических конденсаторах, где один из электродов является электролитом, этот параметр при эксплуатации со временем деградирует вследствие испарения растворителя из жидкого электролита и изменения его химического состава, вызванного взаимодействием с металлическими обкладками, что происходит относительно быстро в низкокачественных изделиях («конденсаторная чума»).

Некоторые схемы (например, стабилизаторы напряжения) критичны к диапазону изменения ЭПС конденсаторов в своих цепях. Это связано с тем, что при проектировании таких устройств инженеры учитывают этот параметр в фазочастотной характеристике (ФЧХ) обратной связи стабилизатора. Существенное изменение со временем ЭПС применённых конденсаторов изменяет ФЧХ, что может привести к снижению запаса устойчивости контуров авторегулирования и даже к самовозбуждению.

Эквивалентная последовательная индуктивность

Эквивалентная последовательная индуктивность обусловлена в основном собственной индуктивностью обкладок и выводов конденсатора. Результатом этой распределенной паразитной индуктивности является превращение конденсатора в колебательный контур с характерной собственной частотой резонанса. Эта частота может быть измерена и обычно указывается в параметрах конденсатора либо в явном виде, либо в виде рекомендованной максимальной рабочей частоты.

Тангенс угла диэлектрических потерь

Тангенс угла диэлектрических потерь — отношение мнимой и вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости.

Потери энергии в конденсаторе определяются потерями в диэлектрике и обкладках. При протекании переменного тока через конденсатор векторы напряжения и тока сдвинуты на угол где  — угол диэлектрических потерь. При отсутствии потерь . Тангенс угла потерь определяется отношением активной мощности к реактивной при синусоидальном напряжении определённой частоты. Величина, обратная , называется добротностью конденсатора. Термины добротности и тангенса угла потерь применяются также для катушек индуктивности и трансформаторов.

Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)

ТКЕ — относительное изменение ёмкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (кельвин). Т КЕ определяется так:

где  — изменение ёмкости, вызванное изменением температуры на .

Таким образом, изменение ёмкости от температуры (при не слишком больших изменениях температуры) выражается линейной функцией:

где  — изменение температуры в °C или К относительно нормальных условий, при которых специфицировано значение ёмкости,
 — ёмкость при нормальных условиях.

TKE применяется для характеристики конденсаторов с практически линейной зависимостью ёмкости от температуры. Однако ТКЕ указывается в спецификациях не для всех типов конденсаторов.

Для конденсаторов, имеющих существенно нелинейную зависимость ёмкости от температуры и для конденсаторов с большими изменениями ёмкости от воздействия температуры окружающей среды в спецификациях нормируются относительное изменение ёмкости в рабочем диапазоне температур или в виде графика зависимости ёмкости от температуры.

Эквивалентная схема конденсатора, моделирующая диэлектрическую абсорбцию. После кратковременного закорачивания выводов конденсатора дополнительные виртуальные конденсаторы не успевают разрядиться, так как включены через виртуальные резисторы, затем перезаряжают основной эквивалентный конденсатор, что выражается в медленном нарастании напряжения на выводах конденсатора после кратковременного закорачивания.

Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путём подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то оказывается, что напряжение на обкладках снова начинает появляться, как если бы мы разрядили конденсатор не до нуля. Это явление получило название диэлектрическая абсорбция (диэлектрическое поглощение). Конденсатор ведёт себя так, словно параллельно ему подключено множество последовательных RC-цепочек с различной постоянной времени. Интенсивность этого эффекта зависит в основном от свойств диэлектрика конденсатора.

Подобный эффект можно наблюдать практически на всех типах диэлектриков. В электролитических конденсаторах он особенно сильный и является следствием химических реакций между электролитом и обкладками. У конденсаторов с твердым диэлектриком (например, керамических и слюдяных) эффект связан с остаточной поляризацией диэлектрика. Наименьшим диэлектрической абсорбцией обладают конденсаторы с неполярными диэлектриками: тефлон (фторопласт), полистирол, полипропилен и т. п.

Особое внимание в связи с эффектом следует уделять измерительным цепям постоянного тока: прецизионным интегрирующим усилителям, устройствам выборки-хранения, некоторым схемам на переключаемых конденсаторах.

Многие керамические материалы, используемые в качестве диэлектрика в конденсаторах (например, титанат бария, обладающий очень высокой диэлектрической проницаемостью в не слишком сильных электрических полях) проявляют пьезоэффект — способность генерировать напряжение на обкладках при механических деформациях. Это характерно для конденсаторов с пьезоэлектрическими диэлектриками. Пьезоэффект ведёт к возникновению электрических помех в устройствах, где использованы такие конденсаторы, при воздействии акустического шума или вибрации на конденсатор. Это нежелательное явление иногда называют «микрофонным эффектом».

Также подобные диэлектрики проявляют и обратный пьезоэффект — при работе в цепи переменного напряжения происходит знакопеременная деформация диэлектрика, генерирующая акустические колебания, порождающие дополнительные электрические потери в конденсаторе.

Конденсаторы с металлизированным электродом (бумажный и пленочный диэлектрик) обладают важным свойством самовосстановления электрической прочности после пробоя диэлектрика. Механизм самовосстановления заключается в отгорании металлизации электрода после локального пробоя диэлектрика посредством микродугового электрического разряда.

• Гано А. Курс физики. Перевод Ф. Павленко, В. Черкасова. 1882.
• Grundlagen der Kondensatoren-Technologie, knowledge base des Kondensatorherstellers WIMA, abgerufen am 18. N OV. 2020.

История создания

Конденсатор (от лат. condensatio — «накопление»), а если быть точным, то его ранний предшественник — «лейденская банка», был изобретён сравнительно давно — в 1745 году в голландском городе Лейден учёным Питером ван Мушенбрук.

Им стал стеклянный сосуд — банка, внутренняя и наружная поверхность которой были обложены тонколистовым оловом. Эти металлические обкладки и служат конденсаторными электродами, разделёнными диэлектрическим корпусом банки.

Они накапливают на своих обкладках заряд электроэнергии, полученный, допустим, от электрофорной машины, хорошо всем известной из школьных уроков физики.

Прикосновение к электродам «лейденской банки» Кюнеусом — учеником Питера ван Мушенбрука, сопровождалось первым в мире прохождением электрозаряда высокого напряжения через тело человека.

Это событие ознаменовало начало нового этапа эволюции теоретической электродинамики и её практической стороны — электротехники, которые впоследствии развились до такого раздела науки как электроника.

Конденсатор в цепи постоянного тока

Итак, берем блок питания постоянного напряжения и выставляем на его крокодилах напряжение 12 Вольт. Лампочку берем тоже на 12 Вольт. Теперь в разрыв цепи вставляем конденсатор.

Нет, лампочка не горит.

А  вот если исключить конденсатор из цепи и подключить напрямую к лампочке, то лампа горит.

Отсюда напрашивается вывод: постоянный ток через конденсатор не течет! То есть в цепи постоянного тока идеальный конденсатор оказывает бесконечно большое сопротивление.

Если честно, то в самый начальный момент подачи напряжения ток все-таки течет на доыли секунды. Все зависит от емкости конденсатора.

Обозначение конденсаторов на схемах

Другие варианты обозначения различных конденсаторов на принципиальных электрических схемах

На электрических принципиальных схемах номинальная ёмкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1 мкФ = 1·106 пФ = 1·10−6 Ф) и пикофарадах (1 пФ = 1·10−12 Ф), и в нанофарадах (1 нФ = 1·10−9 Ф). При ёмкости не более ёмкость конденсатора указывают в пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу измерения, то есть постфикс «пФ» опускают. При обозначении номинала ёмкости в других единицах указывают единицу измерения. Для электролитических конденсаторов, а также для высоковольтных конденсаторов на схемах, после обозначения номинала ёмкости, указывают их максимальное рабочее напряжение в вольтах (В) или киловольтах (кВ). Например так: «10 мкФ × 10 В». Для переменных конденсаторов указывают диапазон изменения ёмкости, например так: «10—180».
В настоящее время изготавливаются конденсаторы с номинальными ёмкостями из десятичнологарифмических рядов значений Е3, Е6, Е12, Е24, то есть на одну декаду приходится 3, 6, 12, 24 значения, так, чтобы значения с соответствующим допуском (разбросом) перекрывали всю декаду.