Электрическая ёмкость, это, говоря языком попроще, НАКОПИТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ. Радиодеталь, которая обладает электрической ёмкостью, называется КОНДЕНСАТОР. Вы скажете, но ведь аккумулятор тоже накапливает электрическую энергию и, окажетесь не совсем правы. Так как на самом деле аккумулятор под воздействием электрической энергии, накапливает химическую энергию, а потом способен к обратному преобразованию, из химической, в электрическую. Естественно, часть энергии при преобразовании теряется и преобразуется в тепло, так как идеальных преобразователей энергии не существует. А конденсатор накапливает электрическую энергию в чистом виде, без всяких промежуточных преобразований и почти без потерь. Энергия в конденсаторе копится в виде большого количества зарядов. Аналогом электрического конденсатора может являться та самая городская площадь, где накапливались мужчины-заряды в моих предыдущих рассказах про напряжение и ток. Если рассматривать прообраз электрической цепи на основе воды, о чём я тоже рассказывала, то там аналогом конденсатора как накопителя энергии, была водонапорная башня.
Прежде чем объяснить работу конденсатора, я должна рассказать, а некоторым просто напомнить, что есть материалы, которые называются ПРОВОДНИКИ, потому, что они легко проводят электрический ток, а есть ДИЭЛЕКТРИКИ, которые электрический ток не проводят. Есть и ПОЛУПРОВОДНИКИ, занимающие промежуточное положение, но о них позже. У каждого из этих материалов вся причина такого их поведения заключается в строении атомов и молекул.
Большинство металлов, является отличными проводниками за счёт так называемых свободных электронов, которые легко переходят от одного соседнего атома металла к другому. Они и являются носителями зарядов в металлах. Так же в металлах обычно упорядоченная кристаллическая решётка, из-за которой атомы относительно друг друга располагаются упорядоченно. Важно отметить, что и некоторые жидкие вещества, например специальные растворы ЭЛЕКТРОЛИТЫ, так же могут быть проводниками, но там носителями зарядов, являются уже целые заряженные атомы – ионы. Положительный ион, это такой атом в котором есть недостаток электронов, а отрицательный соответственно имеет избыток электронов. В жидкостях отдельные атомы не связанны друг с другом так хорошо как в большинстве металлов, вот поэтому там и возможна проводимость за счёт ионов.
Итак, диэлектрики это материалы, которые очень плохо проводят электрический ток. Не всем же материалам быть проводниками. В диэлектриках почти отсутствуют свободные электроны. Но зато там есть так называемые связанные заряды. Какой-то положительный заряд (ион)связан с подобным по величине отрицательным зарядом. Эти заряды притягиваются друг к другу. Они как бы нашли друг друга. Как девочка и мальчик находят друг друга, и им никого больше не надо. Из физики известно, что разноимённые заряды притягиваются друг к другу “+” к “–”и наоборот, одноимённые отталкиваются (“+” от “+” либо “-” от “-”). Ну и какого электрического тока можно добиться от таких связанных зарядов?
Так вот, КОНДЕНСАТОР это две пластины из проводника. Они называются ОБКЛАДКИ. Между обкладками располагается диэлектрик. В простейшем случае, за диэлектрик сойдёт даже обычный воздух.
Самой основной характеристикой конденсатора является ЁМКОСТЬ, которая показывает, как много зарядов способен накопить конденсатор. Чем больше ёмкость, тем больше зарядов способен удерживать такой конденсатор. Емкость зависит от площади обкладок – чем площадь больше и чем меньше толщина диэлектрика, тем больше такой конденсатор сможет удержать. Вернее даже так – тем больше противоположных по знаку зарядов, расположенных на разных обкладках сцепится друг с другом. На одной обкладке конденсатора скапливаются положительные заряды, а на другой отрицательные. Они как бы стремятся попасть друг к другу, и чем ближе обкладки а так же площадь обкладок, тем больше их накапливается.
Единицей измерения ёмкости является ФАРАД (традиционно в честь учёного, в данном случае Фарадея). Однако ФАРАД является огромной величиной. Конденсатор с ёмкостью даже 1 фарад, был бы очень громоздким для современной радиоаппаратуры. Он может быть размером с хорошую пивную банку. Поэтому в обиходе чаще встречаются конденсаторы с гораздо более мелкими единицами измерения: микрофарады – обозначается µF или uF (1 микрофарад, это миллионная часть от фарада 1 uF = 1 F / 1000 000 ), нанофарады (еще в тысячу раз меньшая единица 1nF = 1 F / 1000 000 000 ) и пикофарады 1 pF = 1 F / 1000 000 000 000 ).
Есть ещё один важный параметр конденсаторов, это максимально допустимое напряжение на его обкладках. Как я уже говорила, чем тоньше диэлектрик, тем больше ёмкость и этим пользуются, но слишком тонкий диэлектрик может вызвать пробой этого диэлектрика, когда напряжение на обкладках превышает определённую, максимально допустимую величину. Это как молния от тучи пробивает на землю через диэлектрик-воздух. Пробитый единожды конденсатор, уже не может нормально работать. Его надо менять. Кроме того, этот пробой может что-нибудь ещё вывести из строя в схеме.
Часто конденсаторы большой ёмкости, изготавливают рулонным способом. Берут две длинных полосы фольги как обкладки, между ними вкладывают полосу диэлектрика, например, из хорошо проваренной в техническом масле бумаги. К фольге приваривают проводочки-выводы и всё это сворачивают в трубочку, которую потом помещают в довольно компактный корпус.
Но даже при таком способе, порой трудно изготовить компактный конденсатор довольно больших ёмкости и напряжения. Поэтому придумали технологию изготовления ОКСИДНЫХ или по другому, ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ конденсаторов. Их достоинством являются значительно большие ёмкость и максимально допустимое напряжение, но есть у них и недостатки:
1. Электролитический конденсатор нормально работает, только если на него подают напряжение строго определённой полярности. Если полярность напряжения изменить на противоположную, то его диэлектрик даёт УТЕЧКУ ТОКА. То есть возникает дополнительны ток через диэлектрик – как бы неполный пробой. От такого обратного тока конденсатор быстро разрушится. На таких электролитических конденсаторах обозначают полярность подключения, например, ближе к какому-то из его выводов рисуют +,или наоборот – . В схемах тоже рисуют полярность если она есть.
2. Меньшая надёжность таких конденсаторов. Оксидные или электролитические конденсаторы изготавливают так же рулонным способом, но одна из его обкладок, та что подключается к “+” это алюминиевая или танталовая или ниобиевая фольга, обработанная химически так, что во первых она выглядит под микроскопом как лунная поверхность (сильные неровности), а во вторых она специально окислена (оксид алюминия хм… у железа я бы назвала это ржавчиной). Со второй обкладкой так не заморачиваются. Между полосами фольги прокладывают специальную пористую бумагу, смоченную электролитом (отсюда одно из его названий – электролитический). Бумага здесь это не диэлектрик, а часть отрицательной обкладки. Электролит хорошо затекает во все поры неровной положительной обкладки, покрытые оксидом. Собственно оксид здесь и выступает в качестве диэлектрика. А теперь представьте, как за счёт этих пор увеличилась реальная площадь положительной обкладки! Мысленно распрямите эти поры, и обкладка как бы раздастся во все стороны по площади, а вторая обкладка, электролит, тоже получается с неровностями из-за затеканий электролита в поры оксида. Вот из-за этого в таких конденсаторах и добиваются большой ёмкости. Из-за этого так же, при несоблюдении полярности подключения, происходит разрушение диэлектрика-оксида гальваническим способом. Такой конденсатор быстро вскипает и разрушается. Чтобы избежать взрыва герметичного корпуса, на корпусе обычно с его торца делают на заводе засечки, в которых корпусу легче вспучиваться, сбрасывая давление пара внутри. Вспученность корпуса конденсатора – признак его неисправности.
Негерметичность корпуса электролитического конденсатора, приводит к испарению электролита, что в свою очередь приводит к потере его ёмкости (электролита просто не хватит, чтобы затечь во все ямки оксида положительной обкладки). Испариться со временем, электролит способен даже из такого конденсатора, который вроде бы и не вспучен. Часто это происходит из-за ещё одной специфической беды таких конденсаторов. Из-за высокого параметра ESR!
Параметр ESR пока довольно сложно объяснить, но я могу сказать следующее. Он важен в так называемых ИМПУЛЬСНЫХ схемах. В импульсных блоках питания и преобразователях постоянного напряжения. Конденсатор из-за этого параметра ведёт себя так, как будто внутри него, последовательно с его каким-нибудь выводом, появился небольшой по сопротивлению резистор. Собственно и аббревиатура ESR, расшифровывается, как Equivalent Series Resistance – эквивалентное последовательное сопротивление. Как известно, любое сопротивление, даже и эквивалентное, преобразует мощность в тепло и это тепло остаётся внутри конденсатора, а значит может нагреть, и даже вскипятить электролит. Так вот, ESR бывает даже у новых электролитических конденсаторов, но со временем, из-за агрессивности такой среды, как подогретый электролит, увеличивается сопротивление в месте контакта вывода к фольге, и ESR начинает расти. Это во первых плохо влияет на работу схемы, в которую включен конденсатор, во вторых часто приводит к вскипанию электролита и выходу конденсатора из строя. Найти повышенный ESR можно специальным прибором, который этот параметр умеет измерять. Некоторые мультиметры имеют встроенную схему, которая позволяет измерять ESR. Продаются и отдельные измерители ESR. Я, например, уже давно сделала себе самодельный измеритель ESR, на базе микроконтроллера, но сейчас дешевле купить готовый. Когда-то про этот параметр ничего и не знали и тем более ничего не ведали про измерители ESR, но, наступила эра импульсных блоков питания и… без этого уже никуда. ESR измеряется за счёт пропуска через подозреваемый конденсатор импульсов с определённой частотой и последующего измерения, насколько хорошо они прошли. Для импульсов с частотой скажем 100 Hz, электролитический конденсатор почти не должен оказывать сопротивление, если бы не повышенный ESR. Удобно искать повышенный ESR потому, что не надо для проверки выпаивать подозреваемый конденсатор. Если убедишься, что ESR повышенный, такой конденсатор надо заменить. В таблице ниже представлены максимально допустимые значения ESR в Омах. Например, для конденсатора 470 uF с максимально допустимым напряжением 25 V, ESR не должен превышать 0,12 Om и если специальный прибор при измерении такого конденсатора покажет значение скажем 4,42 Om, то такой конденсатор ТОЧНО неисправен. Меняйте его быстрее! И возможно только и в нём причина неисправности аппаратуры. Таблицы допустимых ESR в разных источниках весьма отличаются, но если вы начнёте искать неполадки по такому параметру, у вас появится и опыт! До сих пор среди специалистов есть скептики, которые не верят в существование параметра ESR потому, что даже профессора-специалисты в СССР, ничего не знали про такой параметр. Однако я не раз оживляла аппаратуру именно убедившись в том, что подозреваемая деталь имеет слишком высокий ESR и, заменив эту деталь. Ни по каким другим признакам я часто не могла подозревать эту деталь.
Вообще электролитические конденсаторы являются пожалуй самой частой причиной выхода из строя блоков питания и других импульсных цепей в аппаратуре. В свою очередь и сами блоки питания и другие мощные части схем обычно чаще других выходят из строя. Чем больше нагревается какой-либо компонент аппаратуры, тем больше у него причин для выхода из строя!
Про конденсаторы ещё много чего можно рассказать, но пока остановимся на этом.
Если понравилось, ставьте лайки, подписывайтесь! Мой email для связи anastasialoposova@yandex.ru