Конденсатор радиодеталь электронной схемы

Конденсатор радиодеталь электронной схемы

Конденсатор – электронный прибор, несущий эффект накопления энергии. Запасённая энергия сохраняется как электрическое поле. Конструктивно рассматриваемый прибор построен на основе металлических пластин, разделённых изолятором, как правило, воздухом. Образованная разомкнутая цепь не проводит постоянный ток. При подключении к источнику постоянного напряжения отрицательный заряд накапливается на одной части пластин прибора, тогда как положительный заряд на другой части пластин. Процесс продолжается до момента выравнивания напряжения с уровнем напряжения на источнике тока.

Конденсатор и способность накопления заряда

Способности прибора накапливать заряд, в зависимости от возникающего на обкладках конденсатора напряжения, характеризует параметр ёмкости этого элемента. Символом ёмкости для электронной схемы определена латинская буква «C». Единицей измерения назначена метрика фарадами «F». Согласно существующему определению, заряд 1 кулон на пластинах конденсатора соответствует потенциалу 1 вольт и ёмкости 1 фарад.

С = Q / V

где: C – ёмкость, F; Q – заряд, Кл; V – напряжение, В

Формула даёт понять — для любого заданного напряжения, чем больше ёмкость, тем больший заряд обеспечивает конденсатор. То есть энергия, запасённая на обкладках конденсатора, пропорциональна ёмкости или пропорциональна квадрату напряжения на конденсаторе:

W = ½ C*V2

где: W — энергия в джоулях, E; C — ёмкость в фарадах, F; V — напряжение в вольтах,V

Как уже отмечалось, материалом изолятора между пластинами конденсатора традиционно выступает воздух. Конденсатор предполагает изготовление на основе множества различных материалов, среди которых широко распространены пластмасса и керамика. Конденсаторные пластины могут выполняться из фольги, иметь разную форму, вплоть до сворачивания трубкой.

ЭЛЕКТРОЛИТ

Конденсатор значимая радиодеталь электронной схемы + конструкция
Конденсатор конструктивно: 1, 2 – габаритные размеры определяющие площадь «А»; 3, 4 – обкладки положительного и отрицательного полюсов; 5 – диэлектрический материал; 6 – размерность диэлектрика по толщине

Между тем, независимо от устройства пластин, характеристики диэлектрика играют важную роль в работе конденсатора. Как правило, ёмкость конденсатора увеличивается напрямую с увеличением площади пластины «A» и обратно пропорциональна зазору между пластинами «d». Кроме того, этот параметр также пропорционален физической характеристике диэлектрика (диэлектрической проницаемости ε). Таким образом, ёмкость определяется как:

C = ε * (A/d)

где: C – ёмкость в фарадах, F; A – площадь пластины, м2; d – зазор между пластинами, м; ε — диэлектрическая проницаемость материала изолятора

Фактически эффективная площадь пластин несколько больше, чем точная физическая площадь. Этот факт обусловлен явлением, именуемым окантовка. По сути, силовые линии электрического поля выступают наружу за края пластины, а не поддерживают равномерную параллельную ориентацию.

Диэлектрическая проницаемость — главная роль 

Судя по формуле, диэлектрическая проницаемость изолятора играет главную роль в определении объемной эффективности конденсатора. То есть в определении величины ёмкости, характерной для компонента заданного размера. Некоторые изоляторы заметно эффективнее других.

Чтобы упростить сравнение, на практике работы с электроникой часто используется параметр — относительная диэлектрическая проницаемость. То есть отношение диэлектрической проницаемости к диэлектрической проницаемости вакуума (ε0).

Материал Диэлектрическая проницаемость, ε
Вакуум 1
Воздух 1,00058
Тефлон 2,1
Полиэтилен 2,25
Полиимид 3,4
Полипропилен 2,2 – 2,36
Полистирол 2,4 – 2,7
Полиэстер (Майлар) 3,1
Бумага 1,4
Слюда 3 — 6
Диоксид кремния 3,9
Резина 7
Алмаз 5,5 — 10
Кремний 11,68
Диоксид титана 86 — 173
Титанат стронция 310
Титанат кальция и меди 250

Таблица относительной диэлектрической проницаемости для различных изоляторов конденсатора представлена выше. Ряд обычных диэлектриков, таких как полиэтиленовые плёнки и слюда, обладают диэлектрической проницаемостью в два-шесть раз больше, чем даёт воздух. Также есть керамические диэлектрики, изоляция которых в сотни и даже тысячи раз больше, чем даёт воздух.

Подбор конденсатора по свойствам диэлектрика

На первый взгляд лучшим выбором видится диэлектрик, обладающий самой высокой изоляционной проницаемостью. Однако на практике этот момент верен не всегда. Существует ряд иных факторов, оказывающих влияние, включая:

  • температурную стабильность,
  • эффективное параллельное сопротивление,
  • эквивалентное последовательное сопротивление,
  • прочность на пробой.

Для идеального конденсатора сопротивление утечки бесконечно, а эффективное последовательное сопротивление равно нулю. В отличие от резисторов, конденсаторы не обладают максимальными значениями рассеиваемой мощности. Вместо этого показателя отмечается максимальное номинальное напряжение.

Пробивная прочность диэлектрика устанавливает верхний предел параметра, показывающего, насколько большое напряжение допустимо подавать на конденсатор без риска повреждения.

Пробивная сила измеряется вольтами на единицу расстояния. То есть, чем ближе расположены пластины, тем меньшее напряжение способен выдержать конденсатор. Например, уменьшение расстояния между пластинами вдвое увеличивает ёмкость, но также снижает номинальное напряжение вдвое.

Прочность на пробой конденсаторных изоляторов

Таблица ниже показывает значения прочности на пробой для различных диэлектриков. Сравнение таблиц первой и второй, однако, показывает сложность ситуации. Например, при рассмотрении полистирола в сравнении с полипропиленом.

Субстанция Прочность на пробой, кВ/мм
Воздух 3,0
Боросиликатное стекло 20 — 40
Тефлон 60 — 173
Полиэтилен 19 — 160
Полипропилен 650
Полистирол 19,7
Полиэфирэфиркетон 23
Полиэстер 580
Неопреновый каучук 15,7 – 26,7
Дистиллированная вода 65 — 70
Вощёная бумага 40 — 60
Слюда 118
Алмаз 2,000
Керамика 10 — 25

Полистирол показывает умеренно увеличенную диэлектрическую проницаемость, но полипропилен демонстрирует значительное преимущество с точки зрения прочности на пробой. Как следствие, при использовании полипропилена пластины допустимо располагать ближе, достигая того же номинального напряжения, что и у конденсатора с диэлектриком из полистирола.

Следовательно, полипропиленовый конденсатор потребует меньшего объёма при той же ёмкости. Дополнительным преимуществом полипропилена, помимо других характеристик, видится высокая температурная стабильность и низкое влагопоглощение.

Сравнивая полипропилен с полиэфиром, обнаруживается улучшенная диэлектрическая проницаемость полиэфира наряду с аналогичной прочностью на пробой, что даёт улучшенный объёмный КПД по сравнению с полипропиленом. Но полиэфир показывает большую температурную зависимость.

Конденсатор – стилистическое исполнение и упаковка

Выпускаемые теперь конденсаторы имеют широкий диапазон значений ёмкости, от нескольких пикофарад до значительно превышающих фарад (диапазон более 1012). В отличие от резисторов, физический размер которых зависит от номинальной мощности, а не значения сопротивления, физический размер конденсатора зависит как от ёмкости, так и от номинального напряжения.

Конденсаторы поверхностного монтажа отличаются минимальными габаритами, тогда как конденсаторы фильтра источников питания, например, бытовой электроники, могут иметь достаточно крупные габариты.

ПОЛИМЕРНЫЙ

Конденсатор значимая радиодеталь электронной схемы + исполнение приборов
Самые разные по исполнению встречаются на практике приборы, обладающие различными эксплуатационными свойствами и качествами

Для радиодеталей большой ёмкости значения емкости и номинальное напряжение обозначаются непосредственно на корпусе прибора. Цветовая маркировка для конденсаторов не поддерживается, как в случае с резисторами. Приборы миниатюрного исполнения имеют числовой код, обычно трёхзначный. Например «152».

Здесь первые две цифры – значения ёмкости, третья цифра степень десятичного множителя. Результат выражается в пикофарадах. То есть для маркировки «152» расшифровка соответствует значению 1500 пикофарад.

Существуют установленные схематические обозначения такого рода радиодеталей. В частности, на практике широко используются три схемотехнических обозначения. Первое обозначение представляет символ, образованный двумя параллельными линиями, изображающими две пластины. Такое обозначение относится к стандартным неполяризованным приборам.

ТАНТАЛОВЫЙ

Конденсатор значимая радиодеталь электронной схемы + обозначения
Три основных схемных обозначения приборов: 1 – неполяризованный; 2 – поляризованный; 3 – переменный (подстроечный)

Второе обозначение отмечено символом, обозначающим приборы поляризованного исполнения. В этом варианте положительный вывод отображается прямой линией для пластины положительного потенциала, дополненной знаком «+». Отрицательный вывод, соответственно, отмечается изогнутой линией.

Третья символика для схем используется под переменные (подстроечные) приборы и отличается наличием стрелки, пересекающей две параллельные линии. Стрелка указывает на фактор переменной величины ёмкости, подобно тому, как это указывается схематично для реостатов переменного сопротивления.


При помощи информации: Dissidents