Маленькая предыстория.
Где то 5 лет назад, выходя с очередной посылкой с запчастями с отделения почты, встретил я очень мной уважаемую с студенческих лет, преподавательницу моего техникума. Вела она у нас ОТЦ и аппаратуру звукозаписи и воспроизведения. И помня мои заслуги во время учебы, спросила - не хотели бы вы Александр немного помочь, теперь уже колледжу ане техникуму, и пойти к нам преподавателем. Сразу предупредив что платят... В общем согласился я, и с того момента до лета 2023г преподавал там одну дисциплину. Вот и предлагаю на рассмотрение публики некоторые свои лекции. Материал собран из разных источников и некоторые из план конспектов к последнему году преподавания, обрёли на мой взгляд, вполне академический вид (во всяком случае как для колледжа).
1. Общая информация
1.1. Определение
Конденсатор – это устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Представляет собой двухполюсник с определённым значением ёмкости и малым значение активной проводимости.
Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин, называемых обкладками, разделённых диэлектриком, толщина которого много меньше размеров пластин.
1.2. УГО - условное графическое обозначение на схемах.
Ниже приведено как обозначаются некоторые виды конденсаторов. Но в общем символ понятен - две вертикальные линии, символизирующие обкладки, и выводы от них в виде горизонтальных линий.
1.3. Эквивалентная схема конденсатора
Итак, идеальный конденсатор является носителем только одной полезной величины – электрической ёмкости. Однако как обычно в реальном радиоэлементе имеются различные отклонения от идеального компонента, рассмотрим эквивалентную схему реального конденсатора, и элементы входящие в неё:
· Rd — сопротивление диэлектрика. Диэлектриком может быть воздух, вакуум, бумага, керамика, плёнка, оксидное напыление, потенциальный барьер… Также между выводами конденсатора находится его корпус. Он тоже обладает каким-то сопротивлением и тоже сделан из диэлектрика и относится сюда же. Чем больше это сопротивление тем качественней конденсатор, так как именно через этот параметр происходит саморазряд конденсатора.
· Сo — емкость конденсатора, тот самый параметр идеального конденсатора.
· Rs – паразитное активное сопротивление реального конденсатора, включенное последовательно с идеальной емкостью идеального конденсатора, образуется из-за конечной величины проводимости материала выводов и обкладок конденсатора. Поскольку оно включено последовательно с ёмкостью идеального конденсатора, величину этого сопротивления в технической литературе называют эквивалентным последовательным сопротивлением, сокращённо ЭПС или на английском ESR. Измеряется в Омах. Чем ниже величина ЭПС, тем конденсатор лучше, так как ток протекающий через конденсатор вызывает потери энергии на этом активном сопротивлении.
· Li - паразитная индуктивность включенное последовательно с идеальной емкостью идеального конденсатора, образуется из-за наличия индуктивности выводов и обкладок конденсатора, особенно если они принимают форму плоской спирали, рулона. В литературе обозначают как ESI (чаще ESL) — эквивалентная последовательная индуктивность.
1.4. Характеристики конденсаторов
Исходя из выше описанный элементов эквивалентной схемы реального конденсатора, можно составить перечень основных параметров реального конденсатора.
Большинство радиолюбителей и даже часть специалистов считающих себя профессионалами, могут назвать от силы четыре первых основных параметра, но как будет видно ниже, этих параметров много больше и достигает десяти!
1.4.1. Номинальная ёмкость - основной параметр.
Первым, и основным параметром конденсатора является номинальная ёмкость, номинируется в Фарадах [Ф], однако на практике, в виду чрезмерности основной единицы, применяют дольные её части: микрофарады [мкФ], нанофарады [нФ], пикофарады [пФ].
Ёмкость конденсатора выражается формулой:
где
С — это емкость, Фарад
Q — количество заряда на одной из обкладок конденсатора, Кулоны
U — напряжение между пластинами, Вольты
1 Фарад — это когда на обкладках конденсатора хранится заряд в 1 Кулон и напряжение между пластинами 1 Вольт. Емкость может принимать только положительные значения.
Ёмкость плоского конденсатора, 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.
где :
d — расстояние между пластинами конденсатора, м
S — площадь самой наименьшей пластины, м2
ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика между обкладками конденсатора
Готовая формула для плоского конденсатора будет выглядеть так:
где С — емкость конденсатора, ф
ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика
ε0 — диэлектрическая постоянная, ф/м
S — площадь самой наименьшей пластины, м2
d — расстояние между пластинами, 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.
Для линейных диэлектриков, используемых главным образом в качестве электроизоляционных и конденсаторных материалов, диэлектрическая проницаемость в большинстве случаев практически не зависит от напряжения. Сильно выраженная зависимость диэлектрической проницаемости от напряжения, приложенного к диэлектрику, характерна для сегнетоэлектриков
Хотите сделать конденсатор с огромной емкостью, делайте площадь пластин как можно больше, расстояние между пластинами как можно меньше и заправляйте вместо диэлектрика дистиллированную воду.
1.4.2. Номинальное напряжение
Значение напряжения, обозначенное на конденсаторе или указанное в НТД (нормативно-технической документации), при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.
Рабочее напряжение при эксплуатации конденсатора не должно превышать максимального значения!
Для конденсаторов с номинальным напряжением 10кВ и менее значения номинальных напряжений устанавливаются согласно ГОСТ 9665-77 из ряда: 1; 1,6; 2,5; 3,2; 4; 6,3; 10; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 350; 400; 450; 500; 630; 800; 1000; 1600; 2000; 2500; 3000; 4000; 5000; 6300; 8000; 10000В
Маркировка номинального напряжения наносится на корпус конденсатора в открытом или кодированном виде, и будет рассмотрена в отдельной статье посвящённой способам маркировки конденсаторов.
1.4.3. Допустимое отклонение ёмкости
Фактическое значение емкости конденсатора Сф может отличаться от номинального в пределах допускаемых отклонений.
Допускаемое отклонение емкости в %:
1.4.4. Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)
ТКЕ - параметр конденсатора, который характеризует относительное изменение емкости от номинального значения при изменении температуры окружающей среды. Этот параметр принято выражать в миллионных долях емкости конденсатора на градус (10-6 / °С). ТКЕ может быть положительным (обозначается буквой «П» или «Р»), отрицательным («М» или «N»), близким к нулю («МП») или ненормированным («Н»).
1.4.6. Диапазон рабочих температур
Эта характеристика показывает при каких температурах конденсатор сохраняет свои свойства, с сохранением параметров надёжности. Зачастую определяется материалом диэлектрика.
Таблица. Рабочий диапазон температур конденсаторов в зависимости от материала диэлектрика
1.4.7. ESR - эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС)
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.
Существуют специальные приборы (ESR-метр (англ.)) для измерения этого достаточно важного параметра конденсатора, по которому можно часто определить пригодность его дальнейшего использования в определённых целях. Этот параметр, кроме собственно ёмкости (ёмкость — это основной параметр), часто имеет решающее значение в исследовании состояния старого конденсатора и принятия решения, стоит ли использовать его в определённой схеме или он прогнозируемо выйдет за пределы допустимых отклонений.
1.4.8. ESL - Эквивалентная последовательная индуктивность
Эквивалентная последовательная индуктивность ESL 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.
1.4.8. Диэлектрическая абсорбция
Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путём подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то мы увидим, что напряжение на обкладках снова появится, 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 проявления этого эффекта зависит в основном от свойств диэлектрика конденсатора.
Подобный эффект можно наблюдать практически на всех типах диэлектриков. В электролитических конденсаторах он особенно ярок 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 диэлектрическим поглощением обладают конденсаторы с неполярными диэлектриками: тефлон (фторопласт), полистирол, полипропилен и т. п.
Эффект зависит от времени зарядки конденсатора, времени корочения, иногда от температуры. Количественное значение абсорбции принято характеризовать коэффициентом абсорбции, который определяется в стандартных условиях.
Особое внимание в связи с эффектом следует уделять измерительным цепям постоянного тока: прецизионным интегрирующим усилителям, устройствам выборки-хранения, некоторым схемам на переключаемых конденсаторах.
1.4.9. Проводимость (утечка), ток утечки
Предварительно заряженный конденсатор с течением времени теряет запасённую энергию за счёт тока утечки, протекающего через слой диэлектрика между обкладками. Сопротивление изоляции — это сопротивление конденсатора постоянному току, определяемое соотношением:
Rи=U/Iут
где U — напряжение, приложенное к конденсатору;
Iут — 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 T саморазряда конденсатора, которая численно равна произведению ёмкости на сопротивление утечки:
T= Rи*C0
где T — 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.
1.4.10. Эффект смещения при постоянном токе (DC-bias)
Керамические конденсаторы изготавливаются на осное диэлектриков разных типов, классифицируемых, в первую очередь, по ТКЕ. Соответственно, ёмкость конденсатора имеет зависимость от температуры. Однако, диэлектрик причисляется к тому или иному классу только в зависимости от его ТКЕ. То есть классифицироваться как "X7R" могут совершенно разные диэлектрики. Более того, оказалось, что керамические конденсаторы меньшего типоразмера больше подвержены изменению ёмкости при повышении приложенного напряжения. Данная зависимость отражена на графике ниже:
Из этого графика можно сделать несколько основных выводов:
a) При увеличении типоразмера уменьшается изменение ёмкости в зависимости от приложенного напряжения, и наоборот.
b) В отличии от типа диэлектрика и типоразмера, номинальное напряжение, похоже, ни на что не влияет. Например, судя по графику для X5R типоразмера 1206 мы видим, что конденсатор на 6,3В на самом деле ведёт себя лучше, чем конденсаторы X5R 1206 на большее номинальное напряжение. Возможно, в данном единичном случае это ошибка в данных даташита, однако зависимость изменения ёмкости от номинального напряжения, похоже действительно отсутствует.
c) Диэлектрик с лучшей термостабильностью при том же типоразмере имеет меньшую чувствительность к изменениям напряжения. Данный вывод можно сделать сравнивая графики X7R и X5R одного типоразмера. Не факт, что данное правило универсально для всех моделей на рынке, но с конденсаторами Murata это так.
Можно видеть устойчивое улучшение ситуации по мере роста размера корпуса вплоть до типоразмера 1210. Дальнейшее увеличение типоразмера уже не значительно влияет.
На этом данную статью закончим, а в следующей рассмотрим какие виды конденсаторов бывают.