Электроника:Постоянный ток/Конденсаторы/Практические соображения - Конденсаторы

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Практические соображения - Конденсаторы

Конденсаторы, как и любые другие элементы электрических цепей, имеют определённые ограничения, которые необходимо учитывать, если вы хотите, чтобы цепь работала надёжно и правильно.

Рабочее напряжение конденсатора

Рабочее напряжение: поскольку конденсаторы представляют собой не что иное, как два проводника, разделенные изолятором (диэлектриком), нужно обращать внимание на максимальное допустимое напряжение для изоляционного материала. Если приложить слишком большое напряжение, предел «пробоя» диэлектрика может быть превышен, что приведёт к внутреннему короткому замыканию конденсатора.

Полярность конденсатора

Полярность: некоторые конденсаторы производятся таким образом, что они могут выдерживать приложенное напряжение только определённой полярности, но не противоположной. Это конструктивное ограничение: диэлектрик представляет собой микроскопически тонкий слой изоляции, нанесённый на одну из пластин, к которой во время этого процесса было приложено постоянное напряжение. Это так называемые электролитические конденсаторы, их полярность на схемах чётко обозначена.

Рис. 1. Обозначение на схемах конденсаторов, рассчитанных на определённую полярность.

Изменение полярности напряжения, приложенного к электролитическому конденсатору, может привести к разрушению этого сверхтонкого диэлектрического слоя, что приведёт к поломке самого устройства. Выгода от такой конструкции состоит в том, что малая толщина диэлектрика обеспечивает чрезвычайно высокие значения ёмкости при относительно небольшом размере корпуса. По той же причине электролитические конденсаторы обычно имеют низкое номинальное напряжение по сравнению с другими типами конденсаторной конструкции.

Эквивалентная схема конденсатора

Эквивалентная схема: поскольку пластины в конденсаторе имеют некоторое сопротивление, да и любой диэлектрик не является идеальным изолятором, нет такой вещи, как «идеальный» конденсатор. В реальной жизни конденсатор имеет как последовательное сопротивление, так и параллельное сопротивление (так называемое сопротивление утечки), что сказывается на его чисто ёмкостных характеристиках:

Рис. 2. Если изобразить, в реальности на какие сопротивления можно разделить сопротивление обычного конденсатора, то получится примерно такая эквивалентная схема.

К счастью, относительно легко изготовить конденсаторы с очень малым последовательным сопротивлением и очень высоким сопротивлением утечки!

Физический размер конденсатора

В практической электронике минимальный размер элементов – это своего рода самоцель. Чем меньше компоненты, тем больше схем можно встроить в меньший по размерам корпус, как правило, при том же весе. Что до конденсаторов, то тут два основных фактора, ограничивающих минимальный размер блока: рабочее напряжение и ёмкость. И эти два фактора, как правило, играют друг против друга. При любом выборе диэлектрических материалов единственный способ увеличить номинальное напряжение конденсатора – это увеличить толщину диэлектрика. Однако, как мы знаем, это приводит к уменьшению ёмкости. Ёмкость можно повысить, увеличив площадь пластины. Но это приводит к увеличению размера устройства. Вот поэтому не следует судить о ёмкости конденсатора в фарадах исходя из габаритов устройства. Конденсатор любого размера может иметь относительно высокую ёмкость и низкое рабочее напряжение, или наоборот. Или же выдержана некоторая «золотая середина» между двумя крайностями. Для примера поглядим на следующие две фотографии:

Рис. 3. Фото 1: масляный конденсатор с высоким рабочим напряжением, но малой ёмкостью.

Это довольно большой по физическим размерам конденсатор, но у него весьма низкое значение ёмкости: всего 2 мкФ. Однако его рабочее напряжение довольно-таки высокое: 2000 вольт! Если этот конденсатор модернизировать, используя более тонкий слой диэлектрика между его пластинами, можно было бы достичь по крайней мере стократного увеличения ёмкости, но за счёт значительного снижения его рабочего напряжения.

Сравните фотографию выше с приведенной ниже. Конденсатор, показанный на следующем изображении, представляет собой электролитический блок, по размеру сопоставимый с приведённым выше, но с очень разными значениями ёмкости и рабочего напряжения:

Рис. 4. Фото 2: электролитический конденсатор с большей ёмкостью, но низким рабочим напряжением.

Более тонкий диэлектрический слой даёт ему гораздо бóльшую ёмкость (20 000 мкФ), однако при этом резко снижает рабочее напряжение (максимум 35 В непрерывное напряжение, максимум 45 В если напряжение прерывистое).

На следующем фото несколько примеров конденсаторов разных типов, все они по размерам меньше, чем показанные выше:

Рис. 5. Керамические конденсаторы.

Рис. 6. Пластиковые плёночные конденсаторы.

Рис. 7. Малые электролитические конденсаторы.

Рис. 8. Танталовые конденсаторы.

Электролитические и танталовые конденсаторы поляризованы (чувствительны к полярности) и всегда имеют соответствующую маркировку. Отрицательные (-) выводы электролитических агрегатов отмечены стрелками на корпусах. У некоторых поляризованных конденсаторов полярность обозначена маркировкой положительного (а не отрицательного) вывода. Крупный электролитический блок ёмкостью 20 000 мкФ (тот, что на Рис. 3. Фото 2. выше), показанный в вертикальном положении, имеет положительный (+) вывод, помеченный знаком «плюс». Керамические, майларовые, пластико-плёночные и воздушные конденсаторы не имеют маркировки полярности, потому что эти типы не поляризованные (не чувствительные к полярности).

Конденсаторы – очень распространённые элементы в электронных схемах. Внимательно посмотрите на следующую фотографию – каждый компонент, отмеченный на печатной плате буквой «C», является конденсатором:

Рис. 9. Сетевая карта с большим количеством конденсаторов.

Некоторые из конденсаторов, изображённых на этой печатной плате, являются стандартными электролитическими: C30 (в центре верхней стороны) и C36 (на треть вниз от верхнего края на левой стороне). Некоторые электролитические конденсаторы – особые танталовые (тантал – это тип металла, который часто используется для изготовления пластин). Танталовые конденсаторы имеют относительно высокую ёмкость для своего физического размера. Следующие конденсаторы на схемной плате, показанной выше, являются танталовыми: C14 (слева внизу от C30), C19 (прямо под R10, который ниже C30), C24 (нижний левый угол платы) и C22 (внизу справа).

Примеры конденсаторов ещё меньшего размера:

Рис. 10. Жёсткий диск компьютера, содержащий различные конденсаторы.

Конденсаторы на этой печатной плате (как и все резисторы там же), являются «устройствами для поверхностного монтажа» из соображений экономии места. Согласно стандартной маркировке компонентов, конденсаторы идентифицируются по надписям рядом с ними, начинающимися с буквы «C».