Характеристика конденсатора. Конденсаторы: характеристики, виды и применение в электронике

Что такое конденсатор и как он работает. Какие бывают виды конденсаторов. Каковы основные характеристики конденсаторов. Где применяются конденсаторы в электронике. Как правильно выбрать конденсатор для схемы.

Что такое конденсатор и принцип его работы

Конденсатор — это пассивный электронный компонент, способный накапливать и хранить электрический заряд. Простейший конденсатор состоит из двух проводящих пластин (обкладок), разделенных диэлектриком.

Принцип работы конденсатора основан на явлении электрической емкости. При подключении к источнику напряжения на обкладках конденсатора накапливаются противоположные по знаку электрические заряды. Чем больше накопленный заряд при заданном напряжении, тем выше емкость конденсатора.

Основное свойство конденсатора — способность накапливать электрический заряд и отдавать его в цепь. Процесс накопления заряда называется зарядкой конденсатора, а отдачи — разрядкой.

Основные характеристики конденсаторов

Ключевыми параметрами конденсаторов являются:

• Емкость (C) — способность накапливать электрический заряд. Измеряется в фарадах (Ф).
• Рабочее напряжение — максимально допустимое напряжение между обкладками.
• Ток утечки — небольшой ток, протекающий через диэлектрик конденсатора.
• Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) — паразитное сопротивление конденсатора.
• Собственная индуктивность (ESL) — паразитная индуктивность выводов и обкладок.
• Тангенс угла диэлектрических потерь — характеризует потери энергии в диэлектрике.

Как выбрать подходящий конденсатор для схемы? Необходимо учитывать требуемую емкость, рабочее напряжение, частотный диапазон, допустимые потери и другие особенности применения.

Виды конденсаторов по типу диэлектрика

Существует множество типов конденсаторов, различающихся конструкцией и используемым диэлектриком:

Керамические конденсаторы

Используют в качестве диэлектрика керамику. Обладают малыми размерами, низкой стоимостью, хорошими высокочастотными характеристиками. Широко применяются в высокочастотных цепях.

Пленочные конденсаторы

Диэлектрик — тонкая полимерная пленка. Отличаются высокой стабильностью характеристик, малыми потерями. Используются в фильтрах, цепях развязки.

Электролитические конденсаторы

Имеют большую удельную емкость за счет использования электролита. Бывают алюминиевые и танталовые. Применяются в источниках питания для фильтрации и сглаживания пульсаций.

Подстроечные конденсаторы

Позволяют плавно изменять емкость в определенных пределах. Используются для точной настройки колебательных контуров.

Области применения конденсаторов в электронике

Конденсаторы широко используются во многих электронных устройствах и схемах:

• Фильтрация и сглаживание пульсаций в источниках питания
• Разделение постоянной и переменной составляющих сигнала
• Накопление энергии и ее быстрая отдача в импульсных схемах
• Частотная коррекция в усилителях
• Создание колебательных контуров в генераторах и фильтрах
• Подавление помех и шумов в цепях питания

Правильный выбор типа и параметров конденсатора критически важен для корректной работы электронных устройств. Понимание характеристик и особенностей различных видов конденсаторов позволяет грамотно применять их в схемотехнике.

Частотные характеристики конденсаторов

При работе на высоких частотах важно учитывать частотные свойства конденсаторов, которые определяются их эквивалентной схемой замещения:

• В области низких частот преобладает емкостное сопротивление X_C = 1/(2πfC)
• На высоких частотах проявляется индуктивность выводов (ESL)
• На частоте последовательного резонанса f₀ = 1/(2π√(LC)) импеданс минимален и равен ESR

Как правильно выбрать конденсатор для высокочастотных схем?

• Для работы на частотах до f₀ выбирают конденсаторы с большей емкостью
• Для частот выше f₀ лучше подходят конденсаторы с меньшей ESL
• Минимальный ESR обеспечивает наименьшие потери на резонансной частоте

Таким образом, при выборе конденсаторов для подавления высокочастотных помех следует ориентироваться не на номинальную емкость, а на частотную зависимость импеданса.

Соединение конденсаторов

В схемах часто используются различные способы соединения конденсаторов для получения требуемых характеристик:

Последовательное соединение

При последовательном соединении конденсаторов:

• Общая емкость уменьшается: 1/C = 1/C1 + 1/C2 + …
• Общее допустимое напряжение увеличивается
• Используется для повышения рабочего напряжения

Параллельное соединение

При параллельном включении конденсаторов:

• Общая емкость равна сумме емкостей: C = C1 + C2 + …
• Рабочее напряжение определяется минимальным из конденсаторов
• Применяется для увеличения общей емкости

Комбинируя последовательное и параллельное соединение, можно получать требуемые значения емкости и рабочего напряжения.

Маркировка конденсаторов

На корпусах конденсаторов обычно указываются основные параметры:

• Номинальная емкость (например, 100 μF)
• Допустимое отклонение емкости (±10%, ±20%)
• Рабочее напряжение (25V, 50V и т.д.)
• Полярность для электролитических конденсаторов
• Температурный коэффициент для керамических конденсаторов

Как расшифровать маркировку конденсатора? Необходимо внимательно изучить обозначения на корпусе и сверить их с документацией производителя. Это позволит правильно определить параметры и тип конденсатора.

2.3. Основные характеристики конденсаторов | Электротехника

Материалы и элементы электронной техники

7 лет назад

admin

Основной характеристикой конденсатора является его электрическая емкость (С), определяемая отношением накапливаемого на обкладках электрического заряда (Q) к приложенному к обкладкам напряжению (U):

С = ke,                                                  (2.1)

где k – постоянный коэффициент, S – площадь обкладок, n – число обкладок, d – расстояние между обкладками, e – диэлектрическая проницаемость.

Если конденсатор выполнен на основе комбинированной изоляции, то диэлектрическая проницаемость может быть дополнительно определяемой в зависимости от состава ингредиентов. В частности, для комбинированной бумажно-пленочной изоляции диэлектрическая проницаемость может быть определена по формуле:

e=,

где e_{1 –} диэлектрическая проницаемость материала, используемого в качестве пленки толщиной d₁; e_{2 –} диэлектрическая проницаемость конденсаторной бумаги с толщиной слоя d₂.

Конденсаторы постоянной емкости характеризуются номинальным значением емкости; конденсаторы переменной емкости характеризуются диапазоном емкостей С_{min –} С_max.

Сопротивление изоляции конденсатора (R_из) определяется свойствами диэлектрика и конструкционными особенностями конденсатора. Это сопротивление зависит от температуры и влажности окружающей среды и лежит в пределах от 1 · 10⁹ Ом для сегнетокерамических конденсаторов до 1 · 10¹² Ом для пленочных конденсаторов.

Сопротивление комбинированной бумажно-пленочной изоляции определяется по формуле:

R = .

Добротность

(Q) конденсатора определяется потерями энергии в диэлектрике и металлических обкладках и выражается отношением:

Q = P_R/P_A,                                                         (2.2)

где P_R – реактивная мощность; P_A – полные потери энергии в конденсаторе.

Так как полные потери энергии в конденсаторе в единицу времени (активная мощность) определяются суммой потерь энергии в диэлектрике конденсатора (P_д) и потерь энергии в металлических обкладках (P_м), то добротность конденсатора определяется выражением:

Q = P_R /( P_д + P_м ).                                                 (2.3)

Добротность различных типов конденсаторов изменяется от нескольких процентов до 10 раз.

Потери конденсатора часто характеризуют

тангенсом угла потерь (tg d_C):

tg d_C = 1/Q,                                                        (2.4)

и определяются, главным образом, потерями в диэлектрике, величина которых зависит от влажности и температуры. В современных конденсаторах наибольшее влияние на потери оказывает температура.

Потери в комбинированном бумажно-пленочном диэлектрике определяются соотношением ингредиентов:

tg,

где  – тангенс угла диэлектрических потерь материала, используемого в качестве пленки толщиной d₁ и диэлектрической проницаемостью e₁;  – тангенс угла диэлектрических потерь конденсаторной бумаги с толщиной слоя d₂ и диэлектрической проницаемостью e₂.

Реактивная мощность конденсаторов, предназначенных для работы в цепях переменного тока, может быть представлена в виде:

P_R = UI sinj.                                                        (2.5)

Потери большинства конденсаторов незначительны, и сдвиг фаз между током и напряжением близок к 90^о. Поэтому справедливо выражение:

P_R = UI,

где U – эффективное значение напряжения на конденсаторе, I – ток, проходящий через конденсатор. Так как I = UwC, то P_R = U² wC.

Стандартные низковольтные конденсаторы имеют реактивную мощность от 25 до 75 вар.

Электрическая прочность конденсатора характеризует зависимость напряжения, приложенного к его зажимам, от времени, в течение которого не произойдет пробоя.

Время работы, на которое рассчитывается конденсатор, обычно исчисляется де

Вам также может понравиться

Конденсатор [База знаний]

Теория

КОМПОНЕНТЫ

• Адресуемая светодиодная лента
• Геркон
• Диод
• Зуммер
• Кнопка
• Кварцевый резонатор
• Конденсатор
• Макетная плата
• Резистор
• Реле
• Светодиод
• Светодиодные индикаторы
• Сервопривод
• Транзистор

ARDUINO

• Что такое Arduino?
• Среда разработки Arduino IDE
• Сравнение плат Arduino. Какую выбрать?
• Как прошить плату Arduino с помощью другой Arduino (ArduinoISP)
• Онлайн-сервис TinkerCAD – эмулятор Arduino
• Визуальная среда разработки Mixly для Arduino
• Настройка поддержки чипа STM32F103C8T6 средой Arduino IDE

RASPBERRY

• Как установить ОС Raspbian/Raspberry Pi OS?

ИНТЕРФЕЙСЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

• Интерфейс I2C (IIC)

---

Конденсатор — распространенный двухполюсный электронный компонент, главным свойством которого является способность накапливать электрический заряд и «отпускать» его обратно. Процесс накопления заряда называется зарядкой, а процесс его потери – разрядкой.

Сегодня выпускаются конденсаторы самых разных типов и конструкций. Наиболее распространены в электронике и любительской радиотехнике следующие их виды:

• Керамические конденсаторы
• Танталовые конденсаторы
• Алюминиевые электролитические конденсаторы (поляризованные)*
• Конденсаторы переменной емкости

* При включении электролитических конденсаторов в цепь необходимо соблюдать полярность. Отрицательный контакт обычно короче положительного и дополнительно может обозначаться соостветствующими пометками на корпусе. Для керамических конденсаторов полярность подключения не имеет значения.

На схемах конденсатор изображается следующими условными обозначениями:

В простейшем виде конденсатор состоит их двух металлических пластин, называемых обкладками, которые разделены слоем диэлектрика. При включении конденсатора в цепь с источником тока, под воздействием элекрического поля на одной обкладке накапливается положительный заряд, а на другой – отрицательный. Это будет происходить до тех пор, пока на обкладках не накопится максимально возможное количество заряда. Оно определяется важной характеристикой конденсатора — емкостью. Емкость конденсатора определяется количеством заряда, которое он может накопить при заданном напряжении:

На формуле выше C — емкость конденсатора, q — заряд, U — напряжение.

Емкость зависит от таких физических характеристик, как, например, площадь обкладок, расстояние между ними и диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Единицей измерения емкости конденсаторов в в международной системе единиц (СИ) является Фарад (Ф).

Чем больше ёмкость, тем больший заряд может удерживать конденсатор при заданном напряжении и тем меньше скорость его зарядки и разрядки.

Пока конденсатор не заряжен, в цепи можно наблюдать небольшой ток, который однако прекращается по мере зарядки конденсатора. Заряд собирается на обкладках, но не может свободно перетекать между ними, так как этому препятствует диэлектрик. Таким образом конденсатор заряжается. Если из цепи с заряженным конденсатором удалить источник напряжения, то конденсатор начнет разряжаться, так как между его обкладками уже имеется некоторая разность потенциалов, и в цепи опять появится электрический ток. Иллюстрация процессов зарядки и разрядки конденсатора представлена на анимации ниже.

Конденсаторы препятствуют прохождению через них постоянного тока, в то время как для переменного тока данный электронный компонент не является преградой.

На анимации ниже представлена цепь с источником постоянного тока и цепь с источником переменного тока.

---

Основные характеристики

Емкость	C	Ф
Максимальное допустимое напряжение	V	В

---

Последовательное соединение конденсаторов

При последовательном соединении конденсаторов уменьшается общая емкость и увеличивается общее напряжение конденсаторов. Общая емкость при последовательном соединении конденсаторов будет вычисляться по формуле:

Общее напряжение будет равняться сумме напряжений всех конденсаторов.

Например: мы имеем три конденсатора по 30 мкФ x 100 В каждый. При их последовательном соединении общий конденсатор будет иметь следующие данные: 10 мкФ x 300 В.

 

---

Параллельное соединение конденсаторов

При параллельном соединении общая емкость конденсаторов складывается, а допустимое напряжение всего набора будет равно напряжению конденсатора, имеющего самое низкое значение допустимого напряжения из всего набора.

Например: мы имеем три конденсатора 30 мкФ x 100 В, соединённые параллельно. Параметры всего набора конденсаторов в этом случае будут следующие: 90 мкФ x 100 В.

 

---

Соединение более двух конденсаторов последовательно редко встречается в реальных схемах. Хотя для увеличения общего напряжения такой набор может встретиться в высоковольтных источниках питания. А вот в низковольтных источниках довольно часто встречается параллельное соединение нескольких конденсаторов для сглаживания пульсаций после выпрямления при больших токах потребления.

Обратите внимание, формулы вычисления емкости последовательного и параллельного соединения конденсаторов в точности обратны формулам вычисления сопротивления при последовательном и параллельном соединении резисторов.

---

Калькулятор

---

Характеристики алюминиевых электролитических конденсаторов — United Chemi-Con

перейти к содержанию Характеристики алюминиевых электролитических конденсаторов

Алюминиевый электролитический конденсатор состоит из анодной фольги, катодной фольги и разделительной бумаги, которые намотаны вместе и пропитаны электролитом. Анодная фольга имеет слой оксида алюминия, выполняющий роль диэлектрика. После электрохимического травления тонкой алюминиевой фольги (от 65 до 100 микрон) для увеличения площади поверхности пластины путем анодного окисления на ее поверхности получают диэлектрик. Катодная фольга, как правило, не использует процесс окисления.

Радиальный вывод (тип VB)	Большая банка
A Провод	G Алюминиевая заклепка
B Алюминиевый язычок	Н Терминал
C Уплотнительная резина	I Резина
D Втулка	J Фенольный
Е Банка	K Алюминиевый язычок
F Элемент	L Элемент
	M Лента
	Н Банка
	О Втулка
	P Заливочный материал
	Q Торцевой изолирующий диск

Эквивалентная схема
Эквивалентная схема алюминиевого электролитического конденсатора показана ниже. Из-за физических элементов конструкции и конструкции конденсатор имеет не только емкость, но также последовательное сопротивление и индуктивность, а также параллельное сопротивление, обеспечивающее протекание тока.

R _ESR = эквивалентное последовательное сопротивление
R _DCL = ток утечки
C = емкость
L _ESL = эквивалентная последовательная индуктивность

Емкость
Емкость алюминиевых электролитических конденсаторов, а также других конденсаторов выражается следующим уравнением:

Где:
E = диэлектрическая проницаемость
S = площадь поверхности диэлектрика (см ^{2
) d 9 = Толщина диэлектрика (см)}

Большая емкость может быть получена, когда:

1. высокая диэлектрическая проницаемость
2. площадь поверхности большая
3. диэлектрик тонкий

В алюминиевых электролитических конденсаторах диэлектрическая проницаемость составляет всего 8-10, но диэлектрический слой оксида алюминия очень тонкий (около 15 Å на вольт). Фольга с высоким коэффициентом усиления, полученная электрохимическим травлением, создает увеличение поверхности или усиление в 100 раз для фольги низкого напряжения и в 20–25 раз для фольги высокого напряжения.

Таким образом, алюминиевый электролитический конденсатор может обеспечить большую емкость по сравнению с другими типами конденсаторов того же объема.

Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR)
Важным компонентом при производстве конденсатора, который всегда необходимо учитывать, является эквивалентное последовательное сопротивление. Именно это сопротивление приводит к выделению тепла в конденсаторе при подаче переменного тока. Эквивалентное уравнение для ESR показано ниже.

R _ESR = R ₁ + R ₂ + R ₃

Где:

• Длина фольги rl
• Вкладка
• Отводящие провода
• Омическое контактное сопротивление

R ₁ = Сопротивление за счет толщины оксида алюминия
R ₂ = Сопротивление за счет комбинации электролит/прокладка
R ₃ = Сопротивление за счет материалов

Количество тепла, выделяемого пульсирующим током, зависит от ESR конденсатора. Чтобы иметь низкое ESR, необходимо контролировать характеристики электролита, разделительной бумаги, выравнивание обмотки элемента, положение выступов, а также увеличение и конструкцию ямок протравленной фольги. Все это влияет на ESR конденсатора.

Ток утечки (DCL)
Диэлектрик конденсатора имеет очень высокое сопротивление, которое препятствует протеканию постоянного тока. Однако в диэлектрике есть области, которые пропускают небольшое количество тока, называемого током утечки. Области, допускающие протекание тока, обусловлены очень маленькими участками примесей фольги, которые не являются однородными, а диэлектрик, образованный на этих примесях, не создает прочной связи. Когда конденсатор подвергается воздействию высоких напряжений постоянного тока или высоких температур, эти связи разрушаются, и ток утечки увеличивается. Ток утечки также определяется следующими факторами:

1. Значение емкости
2. Приложенное напряжение в зависимости от номинального напряжения
3. Предыдущая история

Ток утечки пропорционален емкости и уменьшается по мере уменьшения приложенного напряжения. Если конденсатор находился при повышенных температурах без подачи напряжения в течение длительного времени, может произойти некоторая деградация оксидного диэлектрика, что приведет к более высокому току утечки. Обычно это повреждение устраняется при повторной подаче напряжения.

Эквивалентная последовательная индуктивность (ESL)
Индуктивность конденсатора является постоянной величиной и в основном зависит от расстояния между выводами конденсатора. Индуктивность составляет от 4 нГн для миниатюрных радиальных конденсаторов до 34 нГн для больших цилиндрических конденсаторов. Вообще говоря, индуктивность не влияет на общий импеданс, если только конденсатор не работает на очень высоких частотах.

Полное сопротивление
Полное сопротивление — это сопротивление, противодействующее протеканию переменного тока определенной частоты. Это связано с емкостью и индуктивностью через емкостное и индуктивное реактивное сопротивление, а также с сопротивлением. Значение импеданса выражается в Омах.

Факторы, влияющие на значение импеданса:

1. Емкостное реактивное сопротивление (емкость) – низкое
   Диапазон частот: X _C = ½(Pi)fC
2. ESR (сопротивление) — средний диапазон частот
3. Индуктивное реактивное сопротивление (индуктивность) – высокий
   Диапазон частот: X _L = 2(Pi)fL

Обычно предпочтительнее более низкое значение импеданса в среднем диапазоне частот. Следовательно, сочетание более низкого значения импеданса и более низкого значения ESR приводит к лучшим характеристикам конденсатора. Из-за физической конструкции конденсатора при одном и том же заданном напряжении конденсатор с меньшим размером корпуса имеет более высокое значение ESR. И при одном и том же заданном значении емкости более высоковольтный конденсатор имеет более низкое значение ESR (за исключением высоковольтных диапазонов).

Номинальное напряжение
Номинальное (или рабочее) напряжение представляет собой сумму постоянного напряжения и наложенного переменного напряжения, которое может непрерывно прикладываться к конденсатору. Снижение приложенного напряжения снизит частоту отказов конденсатора.

Пульсирующий ток
Пульсирующий ток — это выраженное в амперах среднеквадратичное значение переменного тока, протекающего через конденсатор. Чтобы обеспечить срок службы алюминиевых электролитических конденсаторов, максимально допустимый пульсирующий ток должен быть рассчитан по следующей формуле:

Где:
T _МАКС. = Температура центра конденсатора
T _a = Температура окружающей среды
I _RMS = Пульсирующий ток (А)
R = Постоянная 90 A 9 A 3 B Теплопередача 901 = Площадь поверхности банки
Дельта T = Повышение температуры, вызванное внутренним нагревом (T _MAX – T _a )

Где:
Если применяемый пульсирующий ток выше указанного максимально допустимого пульсирующего тока, рассчитанного по уравнению выше , срок службы конденсатора сокращается (поскольку подаваемый пульсирующий ток вызывает выделение тепла), а в крайних случаях вентиляционное отверстие конденсатора разрывается. Также обратите внимание, что пиковое напряжение не должно превышать номинальное напряжение, независимо от рассчитанного номинального пульсирующего тока.

Перейти к началу

Понимание частотных характеристик конденсаторов относительно ESR и ESL | Борьба с шумом с помощью конденсаторов

Шум переключения

2018.10.25

Пункты этой статьи

・Конденсаторы для шумоподавления следует выбирать на основе частотной характеристики импеданса, а не емкости.

・Когда емкость и ESL меньше, резонансная частота выше, а импеданс в области высоких частот ниже.

・Чем больше емкость, тем ниже импеданс в емкостной области.

・Чем меньше ESR, тем ниже импеданс на резонансной частоте.

・Чем меньше ESL, тем ниже импеданс в индуктивной области.

Понимание частотных характеристик конденсаторов

При использовании конденсаторов для решения проблем с шумом важно хорошо понимать характеристики конденсаторов. Эта диаграмма показывает взаимосвязь между импедансом конденсатора и частотой и является основной характеристикой любого конденсатора.

В дополнение к электростатической емкости C конденсатора существуют также резистивная составляющая ESR (эквивалентное последовательное сопротивление), индуктивная составляющая ESL (эквивалентная последовательная индуктивность) и EPR (эквивалентное параллельное сопротивление), существующая параллельно с электростатическая емкость. EPR означает наличие сопротивления изоляции IR между электродами или наличие тока утечки между электродами. Возможно, термин IR используется повсеместно.

C и ELS образуют последовательный резонансный контур, а импеданс конденсатора имеет V-образную частотную характеристику, как показано на схеме. Вплоть до резонансной частоты проявляется емкостная характеристика, и импеданс падает. Импеданс на резонансной частоте зависит от ESR. При превышении резонансной частоты импедансная характеристика меняется на индуктивную, а с ростом частоты импеданс увеличивается. Индуктивная характеристика импеданса зависит от ESL.

Резонансную частоту можно рассчитать с помощью следующего уравнения:

Это уравнение показывает, что чем меньше электростатическая емкость и чем меньше ESL конденсатора, тем выше резонансная частота. Применяя это для устранения шума, конденсатор с меньшей емкостью и меньшим ESL имеет более низкий импеданс на более высокой частоте и поэтому лучше подходит для устранения высокочастотного шума.

Порядок объяснения здесь обратный, но меры по противодействию шуму, в которых используются конденсаторы, используют базовую характеристику конденсатора «пропускание переменного тока и более легкое прохождение его на более высоких частотах». Таким образом, конденсаторы используются для отвода нежелательных шумов (компонентов переменного тока) от сигналов или линий электропитания, например, к GND.

На следующем графике показаны частотные характеристики импеданса конденсаторов с различной электростатической емкостью. В области емкостной характеристики чем больше емкость, тем ниже импеданс. При этом чем меньше емкость, тем выше резонансная частота и тем ниже импеданс в области индуктивной характеристики.

Наше объяснение частотных характеристик импеданса конденсатора можно резюмировать следующим образом.

• Когда емкость и ESL меньше, резонансная частота выше,
  и импеданс в области высоких частот ниже.
• Чем больше емкость, тем ниже импеданс в емкостной области.
• Чем меньше ESR, тем ниже импеданс на резонансной частоте.
• Чем меньше ESL, тем ниже импеданс в индуктивной области.

Проще говоря, конденсаторы с более низким импедансом лучше удаляют шум, но частотная характеристика импеданса зависит от конденсатора, поэтому важно проверить характеристики конденсатора. При выборе конденсаторов для борьбы с шумом следует выбирать устройство в соответствии с частотной характеристикой импеданса, а не емкости.

При выборе конденсаторов для использования в средствах противодействия шуму следует учитывать частотную характеристику, понимая, что подключается не просто емкость, а последовательный LC-резонансный контур.