Что такое мкф в конденсаторе

Что такое мкф в конденсаторе

Определение конденсатора и основные соотношения

Название прибора конденсатора происходит от слова condensatio – накоплять, то есть он является накопителем электрической энергии. Физически конденсатор представляет собой две пластины из токопроводящего материала, разделенные диэлектриком. Накопление энергии происходит как раз в электрическом поле диэлектрика. При этом обкладки приобретают определенный электрический заряд. Емкость конденсатора C , то есть мера вмещения в себя электрической энергии, численно равна отношению заряда Q на одной из его обкладок к вызываемой этим зарядом разности потенциалов между обкладками, то есть напряжению на конденсаторе V:

Из этого соотношения следует, что заряд находящийся «внутри» конденсатора равен произведению его емкости и напряжения на нем:

Поскольку заряд равен произведению силы тока I на время t, то мы получаем важное на практике соотношение:

которое, перепишем для лучшего понимания в виде:

Это соотношение означает, что при протекании через него тока I за время Δt напряжение на конденсаторе емкости C изменяется на величину ΔV. Это соотношение часто используется при практических расчетах тех или иных режимов работы конденсатора. Если ток изменяется во времени и при этом необходим расчет с «физико-математической точностью» то используют соотношение связывающее напряжение на конденсаторе, его емкость и ток:

V(0) – напряжение на конденсаторе в начальный момент времени (как правило всегда равно нулю);

V(t) – напряжение на конденсаторе в любой момент времени t;

– интеграл от тока I(t) по времени. Физически этот интеграл есть изменение заряда на обкладках.

С – собственно емкость конденсатора.

Энергия конденсатора W_C определяется как половина произведения емкости на квадрат напряжения:

Можно ли «закачивая» заряды на обкладки повышать напряжение на конденсаторе до бесконечности. Нет, этого делать нельзя, поскольку в некоторый момент времени напряженность поля в диэлектрике в некоторый момент времени превысит некоторое максимальное значение, называемое пробивной напряженностью поля. Таким образом, кроме емкости конденсатор характеризуется еще и другим параметром – максимальным рабочим напряжением — V_max. Емкость и максимальное рабочее напряжение являются основными параметрами любого конденсатора, и они обычно указываются на его корпусе.

Единица измерения электрической емкости – Фарада. В честь британца Майкла Фарадея.

Условное обозначение конденсатора:

Рисунок C.1 — Условное обозначение конденсатора

Свойство конденсатора накапливать электрический заряд на обкладках определяют его функциональное назначение:

— в качестве накопителя энергии;

— в составе времязадающих RC-цепочек;

— в составе резонансных LC-контуров;

— в качестве фильтрующего элемента входных и выходных цепей источников питания;

— в составе интегрирующих RC-цепочек и дифференцирующих RC-цепочек;

— в качестве токоограничивающего элемента в цепях переменного тока;

— в емкостных делителях напряжения;

— в умножителях напряжения;

— в качестве элемента, обеспечивающего развязку по постоянному току;

— в цепях компенсации реактивной мощности.

Как конденсатор пропускает ток. Реактивное сопротивление. Максимальный ток через конденсатор

Переменный ток, протекающий через конденсатор можно считать различными способами. Первый и более фундаментальный способ заключается в том, что ток протекающий через конденсатор пропорционален скорости изменения напряжения на нем dV/dt и собственно емкости конденсатора С:

Из этого фундаментального соотношения следует формула для действующего (среднеквадратичного значения) значения синусоидального тока через конденсатор:

V_rms – среднеквадратичное (действующее) синусоидального напряжения;

ω – круговая частота — мало используемое понятие, численно равное 2πf;

f – частота синусоидального напряжения.

По аналогии с законом Ома I=V/R из вышележащего соотношения находят так называемое реактивное сопротивление конденсатора Z_C :

где реактивное сопротивление:

Реактивное сопротивление конденсатора определяется его емкостью и зависит от частоты. В ряде случаев по величине реактивного сопротивления рассчитывается ток, протекающий через конденсатор.

Рисунок С.2 — К вопросу, почему конденсатор не проводит постоянный ток и проводит переменный (:-))

Существует ли максимальный ток, который можно пропускать через конденсатор? Да. Для силовых конденсаторов существует такой параметр как максимальная реактивная мощность. Единица её измерения – вольт-ампер реактивный – ВАр, но так как конденсаторы силовые, то более распространена единица киловольт-ампер реактивный – кВАр (kvar – по международным обозначениям). Каждый тип силовых конденсаторов имеет максимальное значение проходящей через них реактивной мощности.

Максимальная реактивная мощность P_Z определяется аналогично тепловой мощности резистора (см. раздел «Резисторы»):

Максимальный ток , проходящий через конденсатор, (а точнее его среднеквадратичное значение), определяется его максимальной реактивной мощностью:

Физически это означает, что если мы знаем кВАр-ность конденсатора P_Z и его емкость C, то мы можем рассчитать его максимальный ток для каждого конкретного значения частоты f. Здесь I_{rms_max} – максимальное действующее значение тока, проходящего через конденсатор. Оно зависит от формы импульсов тока через конденсатор (формулы представлены в разделе «Резисторы»).

Паразитные параметры конденсатора. Тангенс угла диэлектрических потерь

На высоких частотах проявляются паразитные параметры конденсатора:

L – паразитная последовательная индуктивность. Распространённый международный термин — ESL (Equivalent Series Inductance);

R – паразитное последовательное сопротивление. Распространённый международный термин — ESR (Equivalent Series Resistance);

r – сопротивление утечки (Leakage Resistance).

Эквивалентная схема конденсатора представлена на рисунке C.3.

Рисунок C.3 — Эквивалентная схема конденсатора

Паразитная индуктивность L определяется конструкцией и габаритами конденсатора. Так, конденсаторы с ленточными обкладками, свернутыми в цилиндр имеют наибольшее значение индуктивности. Дисковые и SMD-конденсаторы – наименьшее. Индуктивность возрастает с увеличением габаритов конденсатора.

Последовательное сопротивление R определяется сопротивлением обкладок конденсатора. Конденсаторы с ленточными обкладками, как правило, имеют большее значение последовательного сопротивления по сравнению с дисковыми и SMD. В свою очередь конденсаторы с ленточными обкладками в виде фольги имеют меньшее последовательное сопротивление по сравнению с обкладками, полученными металлизацией. Сокращенное обозначение последовательного сопротивления – ESR. Этот параметр часто используется при расчете работы импульсных схем. В частности он оказывает существенное влияние на работу емкостных фильтров-накопителей.

Параллельное сопротивление r целиком определяется параметрами диэлектрика, находящегося между обкладками конденсатора. Оно определяет утечку или саморазряд конденсатора. Именно возможность использования в качестве межобкладочного материала различных типов диэлектриков и определяют многообразие типов конденсаторов.

Индуктивность L и последовательное сопротивление R оказывают существенное влияние при высоких частотах и при импульсных режимах работы. Параллельное сопротивление, определяет потери конденсатора на постоянном напряжении и низких частотах.

Понятие тангенса угла диэлектрических потерь tg δ пришло из классической электротехники в которой оперируют векторными диаграммами. В идеальном конденсаторе угол сдвига фаз между током и напряжением составляет 90% (при синусоидальной форме напряжения – ток максимален в момент, когда напряжение на конденсаторе равно нулю и равен нулю, когда конденсатор заряжается до максимального значения). Но в реальном конденсаторе по причине параллельного эквивалентного сопротивления r (сильное влияние на низких частотах) и последовательного эквивалентного сопротивления R (сильное влияние на высоких частотах) угол сдвига фаз между током и напряжением не добирает до 90° некоторыйугол δ – смотри упрощенные эквивалентные схемы, представленные на рисунке C.4. Таким образом, тангенса угла диэлектрических потерь – это некоторый интегральный параметр, характеризующий потери в конденсаторе. При этом он различается для высоких и для низких частот.

Для низких частот физически тангенс этого угла tg δ равен отношению резистивного тока I_rпроходящего через параллельное сопротивление потерь r к емкостному току I_C, проходящему собственно через емкость:

Для высоких частот более существенные потери вносит последовательное сопротивление. В этом случае тангенс этого угла tg δ равен отношению падения напряжения V_Rна последовательном сопротивлении R к падению напряжения на собственно на емкости V_C :

Рисунок C.4 – К пониманию тангенса угла потерь — эквивалентные схемы конденсатора (слева – характерные для низких частот, справа – характерные для высоких частот) и векторные диаграммы тока и напряжения

Поскольку в тангенс угла потерь входят емкостной ток и напряжение, то сравнение тангенса угла различных типов конденсаторов имеет смысл только при определенной равной частоте. Как правило, для большинства диэлектриков тангенс потерь измеряется на частоте 1 кГц, однако для высокочастотных диэлектриков (полипропилен, фторопласт, NPO) приводятся измерения на частотах 1 МГц и выше.

В более общем понимании, применимом к конденсатору в целом тангенс угла потерь определяет отношение между активной R_C и реактивной Z_C составляющими импеданса конденсатора [Керамические конденсаторы MLCC: особенности применения — http://www.compel.ru/lib/articles/keramicheskie-kondensatoryi-mlcc-osobennosti-primeneniya/]:

Рисунок C.5 – тангенс угла потерь конденсатора на различных частотах [DATASHEETSURFACE-MOUNT CERAMIC MULTILAYER CAPACITORS Introduction. YAGEO Phicomp. ProductSpecification – Dec 06, 2010 V.11]

Таким образом, в реальных конденсаторах понятие тангенса угла потерь имеет сложный характер (рисунок C.5) и определяется не только типом диэлектрика, но и паразитными последовательным сопротивлением и индуктивностью.

Иными словами необходимо понимать различие понятий тангенса угла потерь конденсатора и тангенса угла потерь диэлектрика. Тангенс угла потерь диэлектрика определяет потери конденсатора на низких и средних частотах. На высоких частотах определяющим является вклад паразитных индуктивности и последовательного сопротивления.

Тангенса угла потерь конденсатора определяет его нагрев. Тепловая мощность, выделяемая в объеме конденсатора определяется суммарной мощностью потерь в диэлектрике и на сопротивлении обкладок. Тангенс угла потерь конденсатора определяет все эти различные составляющие и тепловая мощность нагрева конденсатора равна:

Другие параметры реальных конденсаторов

Кроме паразитных параметров каждый конкретный тип конденсаторов характеризуется еще и такими характеристиками как:

— номинальная точность емкости, определяющая максимальное отклонение от номинального значения;

— температурный коэффициент емкости (ТКE) характеризующий изменение емкости при изменении температуры на 1%. Для конденсаторов с сильной зависимостью емкости от температуры (например керамических) указывают относительное изменение емкости в процентах;

— эффект смещения при постоянном токе (DC-bias) определяющий относительное изменение емкости конденсатора от приложенного напряжения. Уменьшение емкости с ростом напряжения характерно для керамических конденсаторов;

— диэлектрическая абсорбция – появление напряжения между обкладками конденсаторов после быстрого разряда. Эффект обусловлен тем, что реальный конденсатор в данном случае можно представить параллельным соединением множества последовательных RC-цепочек с различной постоянной времени. Интенсивность диэлектрической абсорбции главным образом зависит от свойств диэлектрика конденсатора (наиболее сильно проявляется эффект для электролитических конденсаторов, наименее заметно – для конденсаторов на основе неполярных диэлектриков (фторопласт, полистирол, полипропилен).

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) показывает относительное изменение емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус кельвина:

ΔC – изменение емкости конденсатора С;

ΔT – изменение температуры, вызвавшее изменение емкости ΔC.

Понятие температурного коэффициента емкости (ТКЕ) имеет смысл только для конденсаторов с диэлектриком имеющим линейную температурную зависимость.

Типовые номиналы емкостей конденсаторов

Для большинства практических случаев используется диапазон значений емкости конденсатора 1 пФ (пикофарад) – 10000 мкФ (микрофарад). Этот диапазон разбит на несколько рядов. Для конденсаторов наиболее распространенным является ряд E6. Значения номиналов рядов приведены в таблице C.1.

Таблица C.1. Значения наиболее распространенных номиналов рядов емкостей конденсаторов.

Ряды	Номиналы
E3	1,0	2,2
E6	1,0	1,5	2,2

Ряды	Номиналы
E3	4,7
E6	3,3	4,7	6,8

Параллельное и последовательное включение конденсаторов

Емкость параллельно соединенных конденсаторов равно сумме емкостей каждого из конденсаторов:

Емкость последовательно соединенных конденсаторов есть величина обратная сумме обратных величин емкостей конденсаторов каждого из конденсаторов:

Параллельное соединение конденсаторов используют для:

— увеличения суммарной емкости;

— увеличения запасаемой энергии;

— уменьшения уровня пульсаций на конденсаторах фильтра;

— снижения эффективного последовательного сопротивления (ESR) конденсаторной батареи. По этой причине параллельное соединение часто используется при построении емкостных фильтров на основе «электролитов». Так два-четыре параллельно соединенных «электролита» обеспечивают меньшие пульсации, чем один большой при равной ёмкости.

— уменьшения суммарного реактивного сопротивления;

— увеличения максимальной реактивной мощности (кВАр – ности) конденсаторной батареи, что необходимо в случаях работы с большими токами.

— снижения паразитной индуктивности;

— получения точного номинала ёмкости.

Последовательное соединение конденсаторов используют для:

— увеличения максимального рабочего напряжения – при условии равных емкостей рабочие напряжения складываются;

— увеличения запасаемой энергии (при условии одновременного повышения напряжения);

— увеличения максимальной реактивной мощности (кВАр – ности) конденсаторной батареи, за счет увеличения рабочего напряжения.

— увеличения суммарного реактивного сопротивления;

— построения емкостных делителей напряжения;

— получения точного номинала ёмкости.

На практике при параллельном и последовательном соединении конденсаторов особенно в импульсных и работающих на переменном токе схемах целесообразно использовать конденсаторы одного типа. При использовании конденсаторов разных типов возможны перенапряжения из-за различия паразитных параметров конденсаторов. Дополнительно при последовательном соединении конденсаторов, особенно «электролитов» необходимо использовать уравновешивающие резисторы (см. схему на рисунке C.6).

Рисунок C.6 — Последовательное соединение конденсаторов совместно с уравновешивающими резисторами

Конструкции конденсаторов

Тип конденсатора определяется двумя базовыми параметрами – формой и содержанием:

— форма = геометрия обкладок и диэлектрика;

— содержание = тип материала диэлектрика и обкладок.

Рулонная конструкция

Рулонная конструкция конденсатора (рисунок C.7) является одной из наиболее распространенных. Причиной этого является её технологичность и простота. Особенно широко используется при создании конденсаторов с большой ёмкостью. Практически все электролитические конденсаторы, полипропиленовые конденсаторы большой емкости, бумажные конденсаторы имеют рулонную конструкцию. К недостаткам конструкции относят: значительное последовательное сопротивление и большую паразитную индуктивность. При прочих равных параметрах с увеличением емкости данные паразитные параметры возрастают.

По типу корпуса и/или организации выводных электродов можно провести еще ряд градаций:

– аксиального или радиального типа;

– тубулярные или овальные по форме;

– индуктивные и неиндуктивные;

– боксовые или залитые (компаундом)

Рисунок C.7 — Рулонная конструкция конденсатора

Конструкция многослойного конденсатора

Конденсаторы многослойной конструкции (рисунок C.8) распространены несколько меньше, сложнее технологически и, по сравнению с рулонными, имеют существенно меньшую максимальную емкость. Преимуществами многослойных конденсаторов являются малые значения паразитных параметров – последовательного сопротивления и индуктивности.

Рисунок C.8 — Конструкция многослойного конденсатора

Дисковый конденсатор

Дисковые конденсаторы (рисунок C.9), как правило, имеют высокое рабочее напряжение, малую емкость (10 нФ и менее) и используются в высокочастотных и импульсных цепях. Значения последовательного сопротивления и паразитной индуктивности крайне малы. Высоковольтные высокочастотные конденсаторы имеют дисковую конструкцию.

Рисунок C.9 — Конструкция дискового конденсатора

Другие типы геометрии конденсаторов

Существуют и другие, менее распространенные типы геометрии конденсаторов – трубчатые, сферические и т.д. Однако они используются достаточно редко и поэтому здесь исключены из рассмотрения.

Взаимосвязь типа конструкции и тангенса угла потерь

Рулонная конструкция имеет существенно большую индуктивность рассеяния и большее последовательное сопротивление по сравнению с дисковой и многослойной конструкциями. Таким образом, по влиянию типа конструкции на тангенс угла потерь можно привести следующий ряд (по возрастанию потерь):

(Дисковая конструкция ≈ Многослойная конструкция) < Рулонная конструкция.

Типы диэлектриков и обкладок

В конденсаторах в качестве диэлектрика используется большое количество различных типов диэлектриков.

Тип диэлектрика определяет такие базовые параметры конденсатор как:

— сопротивление утечки (правда оно зависит еще и от толщины диэлектрика, то есть уменьшается с ростом рабочего напряжения);

— тангенс угла потерь;

— плотность запасаемой энергии;

— температурный коэффициент емкости – TKE;

— эффект смещения при постоянном токе;

По конструктиву и, «априори», типу диэлектрика, конденсаторы делятся на три больших класса:

В пленочных конденсаторах традиционно используются следующие полимерные диэлектрики (в скобках указаны ориентировочные значения тангенса угла потерь):

Фторопласт (0,0005) < Полистирол (0,001) < Полипропилен (0,0015) < Сульфид полифенилена (0,0015) < Поликарбонат (0,003) < Полиэтилентерефталат (0,015)

В керамических конденсаторах используются различные керамические материалы:

— диоксид титана TiO₂, цирконат кальция CaZrO₃, титанат бария BaTiO₃.

В электролитических конденсаторах в качестве диэлектрика используется тонкий слой окисной пленки:

— оксид алюминия Al₂O₃ (алюминиевые электролитические) или оксид тантала Ta₂O₅(танталовые электролитические).

Тип обкладок (напыленные, фольговые, цельнометаллические) определяет такой параметр конденсатора как последовательное сопротивление, которое входит в общее соотношение для тангенса угла потерь. Обкладки конденсаторов рулонной и многослойной конструкций могут быть выполнены как из металлической фольги, так и представлять собой металлическую пленку, напыленную на диэлектрик. Фольговые конденсаторы имеют большие габариты по сравнению с металлопленочными, но при прочих равных условиях их последовательное эквивалентное сопротивление существенно ниже. Это позволяет рекомендовать для использования в сильноточных цепях преимущественно фольговые конденсаторы. В керамических конденсаторах дисковой конструкции обкладки могут представлять собой медные пластины.

Подробно описание реальных типов конденсаторов дано ниже.

Типы конденсаторов

Пленочные конденсаторы

В пленочных конденсаторах в качестве диэлектрика используется пленка того или иного полимерного материала, а в качестве обкладок – фольга или тонкий слой металла, нанесенный на пленку. Пленочные конденсаторы имеют рулонную и многослойную конструкцию.

Таблица C.2. Сводные характеристики диэлектриков пленочных конденсаторов [VorlesungElektronische Bauelemente. Prof. Dr. H. Gesch. FH Landshut. Fachbereich Elektrotechnik, p. 21. WS2003/2004 г., «ПЭТФ, полипропилен, полистирол – пленочные конденсаторы широкого применения от JB Capacitors», В. Гавриков, Новости Электроники №4, 2013 г.].

Тип по диэлектрику	tg δ, (при 1 кГц*)	Сопротивление изоляции r, МОм, (С<0.33 мкФ)	TKE, 10 -6 /°С	Максимальная рабочая температура, °С
Полистирольные	0,001*. 0,0015	50000-100000	-200	+85
Полипропиленовые	0,002	50000	-200. 100
Полиэтилентерефталатные	0,01. 0,1 (0,006*— 0,008*)	1000-10000	-200. 400	+125
Фторопластовые	0,0015	500000-1000000	н/д	+200
Полифенилсульфидные	0,006*	3000	< 0	+125 (+140)
Поликарбонатные	0,0025*-0,003*	10000-30000	< 0	+100

Полистирольные конденсаторы предназначены для работы в цепях постоянного, переменного, пульсирующего тока и в импульсных режимах. Характерные значения емкости 1 нФ – 10 мкФ, рабочего напряжения – до 1000 В. Имеют высокую временную и температурную стабильность. Хорошо подходят для высокочастотных и прецизионных схемотехнических решений. Максимальная рабочая температура +85 °С. Используется преимущественно рулонная конструкция.

Полпропиленовые конденсаторы предназначены для работы в цепях постоянного, переменного, пульсирующего тока и в импульсных режимах. Характерные значения емкости 0,0022 мкФ — 100 мкФ, рабочего напряжения – до 2500 В. Низкие потери на высоких частотах. Существую так называемые металлизированные полипропиленовые конденсаторы, которые предназначены для существенно меньших рабочих токов в отличие от фольговых конденсаторов [Film Capacitors — Metallized Polypropylene Film Capacitors (MKP), Series/Type: B32674 . B32678, EPCOS AG 2015, EPCOS AG is a TDK Group Company ; Film Capacitors — General Technical Information. Vishay Roederstein, Document Number: 26033, 2012]

— конденсаторы для компенсации реактивной мощности;

— конденсаторы для индукционного нагрева;

Для полипропиленовых конденсаторах распространены рулонная и многослойная конструкции. В некоторых типах полипропиленовых конденсаторов используется технология самолечения, повышающая их надёжность.

Полиэтилентерефталатные конденсаторы (лавсановые конденсаторы, Polyethylene naphthalate — PEN) предназначены для работы в цепях постоянного, переменного, пульсирующего токов и импульсных режимах. Характерные значения емкости 0,001 мкФ — 1 мкФ, рабочего напряжения – до 1000 В. Достаточно большое значение тангенса угла потерь, что вызывает большие потери на высоких частотах. Конденсаторы металлизированные полиэтилентерефталатные являются одним из наиболее распространенных типов конденсаторов, что обусловлено малыми габаритами при высокой емкости.

— импульсные блоки питания;

— конденсаторы, блокирующие постоянное напряжение.

Фторопластовые конденсаторы предназначены для работы в цепях переменного и пульсирующего токов. Характерные значения емкости 560 пФ – 0,47 мкФ, рабочего напряжения – до 1000 В. Очень малые диэлектрические потери. Сверхмалые тока утечки. Высокая рабочая температура – до + 200 °С. Используются преимущественно в звукотехнике высокого уровня и измерительной аппаратуре. Даже при малых значениях емкости имеют достаточно большие габариты.

Сульфидполифениленовые конденсаторы (PPS) предназначены для работы в цепях переменного и пульсирующего токов. Характерные значения емкости 100 пФ – 100 мкФ, рабочего напряжения – до 400 В. Используются преимущественно в звукотехнике. Преимущественно используется многослойная конструкция и SMD-корпуса.

Поликарбонатные конденсаторы предназначены для работы в цепях постоянного, переменного, пульсирующего токов и в импульсных режимах. Характерные значения емкости 10 нФ – 47 мкФ, рабочего напряжения – до 400 В. Используются как фильтрующие, времязадающие и интегрирующие конденсаторы. Поликарбонатные конденсаторы имеют несколько меньшие потери, чем полиэтилентерефталатные.

Керамические конденсаторы

В пленочных конденсаторах в качестве диэлектрика используется керамический диэлектрик, а в качестве обкладок – тонкий слой металла или, реже, фольга. Керамические конденсаторы имеют многослойную или дисковую конструкцию. Наибольшее распространение получили многослойные керамические конденсаторы (Multilayer Ceramic Capacitors, MLCC) используемые как в SMD-корпусах, так и в корпусе с выводами. Основными преимуществами керамических конденсаторов являются высокая удельная емкость, широкий диапазон емкостей и рабочих напряжений, возможность работы на высоких частотах. Кроме этого керамические конденсаторы устойчивы к значительным перенапряжениям.

В качестве диэлектрика используются различные керамические материалы:

— диоксид титана (TiO₂) – условное обозначение NPO (NME);

— цирконат кальция CaZrO₃ – условное обозначение NPO;

— титанат бария BaTiO₃ – условное обозначение X7R, X5R, Y5V.

Тип используемого диэлектрика и конструктивные особенности и определяют характеристики конденсаторов.

Таблица C.3. Типы керамических диэлектриков конденсаторов [http://www.avx.com/resources/technical-info-papers/general/]

Тип по диэлектрику	tg δ (при 1 кГц*)	Сопротивление изоляции r, МОм	TKE, 10 -6 /°С	Особенности
X7R	0,025*	100,000MΩ or 1000MΩ – μF whichever is less	15 %	-55..125 °С
Y5V и Z5U	0,05*	10,000MΩ or 500MΩ – μF whichever is less	22-56 %	-30..85 °С
NP0(C0G)	0,0015 (1МГц)	100,000MΩ or 1000MΩ — μF, whichever is less	+30…-30	-55..125 °С
X5R	0,025*	10,000MΩ or 500MΩ– μF whichever is less	15 %	-55..85 °С

Конденсаторы на основе диэлектрика X7R. X7R — стабильный диэлектрик с предсказуемой температурной, частотной и временной зависимостью. Конденсаторы на основе X7R имеют малые габариты, низкое значение паразитной индуктивности. Характерные значения емкости 100 пФ – 4,7 мкФ, рабочего напряжения – 10-2000 В. Основные области использования конденсаторов на основе X7R:

— времязадающие цепей, дифференцирующие и интегрирующие цепочки;

— помехоподавляющие и фильтрующие конденсаторы (bypass);

Конденсаторы на основе диэлектрика X5R. X5R — керамический диэлектрик используемый в цепях общего применения, где не требуется высокая стабильность емкости. Конденсаторы на основе X5R имеют высокое значение емкости, сильную температурную зависимость (большую индуктивность). Характерные значения емкости 10 нФ – 47 мкФ, рабочего напряжения – 6,3-25 В. Конденсаторы на основе X5R используются как конденсаторы общего значения в бытовой радиоаппаратуре, а также в качестве помехоподавляющие и фильтрующих конденсаторов;

Конденсаторы на основе керамических диэлектриков Y5V и Z5U. Y5V и Z5U используются в цепях общего и промышленного применения, где не предъявляется особых требований к температурной стабильности емкости. Конденсаторы на основе Y5V и Z5U имеют высокое значение емкости, и значительную температурную зависимость. Характерные значения емкости 10 нФ – 22 мкФ, рабочего напряжения – 25-50 В. Конденсаторы на основе Y5V и Z5U используются в качестве помехоподавляющие и фильтрующих конденсаторов;

Конденсаторы на основе диэлектрика NP0(C0G). Диэлектрик NP0(C0G) — высокостабильный диэлектрик, используемый в прецизионных цепях. Емкость конденсаторов на основе NP0(C0G) практически не изменяется под действием температуры, напряжения и времени (в пределах рабочего диапазона). Конденсаторы на основе NP0(C0G) имеют сравнительно высокие габариты и стоимость. Характерные значения емкости 0,47 пФ – 22 нФ, рабочего напряжения – 16-4000 В. Основные области использования конденсаторов на основе NP0(C0G):

— времязадающие цепи, дифференцирующие и интегрирующие цепочки;

Использование конденсаторов на основе диэлектрика NP0(C0G) в качестве помехоподавляющих или фильтрующих (bypass) неоправданно по причине высокой их стоимости и достаточно больших габаритов.

Электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы – конденсаторы, в которых в качестве диэлектрика используется тонкий слой окисной пленки на одном из обкладок — электродов. Другой обкладкой фактически является электролит, контактирующий с металлической фольгой играющей роль токосъема. Именно по причине присутствия электролита в составе конденсатора они и называются электролитическими. Для предотвращения электрического контакта оксидированной обкладки и токосъемной обкладки фольги между ними располагают тонкий слой бумаги или полимерной пористой мембраны, одновременной являющийся носителем электролита. Электролитические конденсаторы обладают высокой удельной емкостью, что обусловлено малой толщиной пленки оксида – порядка 1 мкм. Толщина этого слоя определяет прямое рабочее напряжение. Обратное же напряжение не должно превышать 1,5-2 В иначе произойдет нарушение оксидного слоя и выход конденсатора из строя.

В зависимости от типа используемого диэлектрика электролитические конденсаторы подразделяются на:

— алюминиевые электролитические – диэлектрик оксид алюминия Al₂O₃;

— танталовые электролитические – диэлектрик оксид тантала Ta₂O₅;

В зависимости от типа применяемого электролита конденсаторы подразделяются:

— жидко-электролитические — обычные электролитические конденсаторы в которых в качестве электролита используется электропроводная жидкость;

— твердотельные – в которых электролитом является токопроводящий органический полимер (PEDT или Polypyrrole).

Алюминиевые электролитические конденсаторы с органическим полупроводниковым материалом имеют меньшие значения последовательного сопротивления ESR, более широкий частотный диапазон, высокую стабильность и срок службы по сравнению с обычными электролитическими конденсаторами с жидким электролитом.

Подавляющее большинство алюминиевых электролитических конденсаторов имеют рулонную конструкцию, а танталовые – многослойную. Поэтому большинство электролитов имеют выводную конструкцию, а танталовые выполняются в SMD-корпусах.

Специфические параметры электролитических конденсаторов

Как было сказано ранее, тип диэлектрика и электролита определяют основные параметры конденсатора. В дополнение к обычным конденсаторным параметрам у электролитов особо выделяют ряд параметров:

— гарантированный срок службы;

— последовательное сопротивление (ESR);

— импеданс (полное сопротивление);

— максимальный ток пульсаций.

Гарантированный срок службы. Да, да, они не вечны. Используемый в электролитических конденсаторах жидкий электролит со временем высыхает. Применяя научную терминологию происходит диффузия электролита через изолятор. Особенно быстро это происходит при повышенной температуре. С высыханием электролита уменьшается ёмкость конденсатора, увеличивается ESR и соответственно изменяются характеристики устройства, в котором он используется. Можно сказать, что электролиты являются бомбами замедленного действия. И они реально взрываются. По этой причине одним из важнейших параметров электролитических конденсаторов является время гарантированной работы — гарантированный срок службы, составляющий от 1000 до 15 000 часов для алюминиевых конденсаторов с жидкими электролитом. По этому параметру особо выделяются долговечные электролитические конденсаторы имеющие 5000-15000 часов гарантированной работы. При этом необходимо, чтобы были обеспечены нормальные условия работы – номинальное напряжение, номинальный пульсирующий ток, номинальная температура.

Для каждого типа конденсатора фирмы изготовители предлагают методики расчет прогнозируемого срока службы в зависимости от условий эксплуатации. Эти методики, как правило, содержат номограммы срока службы индивидуальные для каждого из типов конденсаторов. Если при проектировании схем существует задача обеспечения длительного срока службы то можно использовать конденсатор с большим значением рабочего напряжения, облегчить температурный режим. Для снижения тепловой нагрузки на конденсатор можно применять несколько приемов:

— использовать принудительное охлаждение (обдув);

— вместо одного использовать несколько конденсаторов, желательно длинных и узких;

— отдалить конденсаторы от внешних источников тепла – радиаторы, трансформаторы и т.д. На практике это одна из наиболее часто встречающихся проблем при проектировании источников питания.

Кстати именно выход из строя электролитов является одной из наиболее распространенных поломок бытовой радиоэлектронной аппаратуры.

Конденсаторы с диэлектриком в виде проводящего полимера, органического и неорганического полупроводника (полимерные и твердотельные) конденсаторы имеют значительно больший срок службы – до 50000 часов. Их недостатки – большая цена и малые рабочие напряжения (до 50 В).

Последовательное сопротивление ( ESR ). Является одними из важнейших параметром электролитов для задач силовой электроники. Для различных подтипов электролитов она изменяется в широких пределах от 10 мОм до 1 Ом. Выделяется отдельный класс конденсаторов с низким ESR.

Полный импеданс конденсатора. Величина общего импеданса определяется компонентами схемы замещения (рисунки C.3, C.4). В области низких частот импеданс в основном определяется емкостной составляющей, в области средних частот – преимущественно ESR, в области высоких частот начинает оказывать влияние последовательная индуктивность ESL.

Рисунок C.10 – Полный импеданс конденсатора Z складывается из резистивной R, емкостной Z_C и индуктивной Z_L составляющих [Алюминиевые электролитические конденсаторы Samwha. С. Швецов. Новости Электроники №11, 2008]

Максимальный ток пульсаций. Во многих устройствах силовой электроники например электронных балластах, зарядных устройствах, и т.д. через электролитические конденсаторы протекают значительные импульсы тока. Это, в свою очередь, приводит к нагреву конденсатора, высыханию электролита и выходу из строя до завершения гарантированного срока службы.

Кроме представленных параметров отдельно выделяют диапазон рабочих температур. Так существуют типы электролитических конденсаторов предназначенных для эксплуатации в широком температурном диапазоне – до 155 °С.

При выборе электролитических конденсаторов для сильноточных цепей мощных преобразователей следует уделить особое внимание параметрам ESL и ESR, определяющим электрический и тепловой режимы работы конденсаторов.

Причины выхода из строя электролитических конденсаторов

Отрицательные напряжения. При последовательном соединении электролитов разница в емкости может привести к отрицательному напряжению на одном из них обладающего меньшей емкостью, для предотвращения этого использую схему включения с защитными диодами и выравнивающими резисторами (рисунок C.11). При параллельном соединении электролитов необходимо, чтобы паразитная индуктивность соединения между ними была минимальной. Для этого необходимо минимизировать расстояние между ними на плате. Несоблюдение этого условия может привести к перенапряжениям за счет колебательного процесса вызванного паразитными LC-контуром [Особенности применения электролитических конденсаторов. А. Колпаков. Схемотехника № 1,2,3 2000]. Для кардинального уменьшения паразитной индуктивности конденсаторной батареи можно использовать двустороннюю печатную плату с токопроводящими шинами-дорожками с каждой и сторон платы: например верхняя сторона для положительной полярности, нижняя сторона – для отрицательной. При таком расположении площадь токовой петли будет минимальной. В справочных листках на конденсаторы указывается информация об допускаемой амплитуде выбросов обратного напряжения (например до –1.5 В для конденсаторов EPCOS [Алюминиевые электролитические конденсаторы EPCOS. Справочник — http://www.platan.ru/docs/library/ALCAP_EPCOS.pdf]).

Рисунок C.11. Схема последовательного включения электролитических конденсаторов с защитными диодами и выравнивающими резисторами

Температурная память. При переохлаждении конденсатора до низкой температуры (-40 С°) и повышение температуры выше максимальной приводят к резкому росту ESR и уменьшению емкости.

Работа при напряжении близком к максимальному. При напряжениях на конденсаторе близких к максимальному рабочему имеет место выделение тепла обусловленного током утечки (параллельное паразитное сопротивление r), что уменьшает срок службы конденсаторов. При этом необходимо понимать, что ток утечки значительно возрастает с ростом температуры.

Протекание высокочастотной составляющей тока. Протекание высокочастотной составляющей тока сопровождается выделением тепла, что существенно влияет на срок службы конденсаторов.

Механические вибрации. Механические вибрации могут стать причиной разгерметизации корпуса конденсатора, что в свою очередь приводит к быстрому высыханию электролита и выходу конденсатора из строя.

Влияние ESR на амплитуду пульсаций напряжения емкостного фильтра

Одним из наиболее распространенных применений электролитических конденсаторов в силовой электронике являются емкостные фильтры напряжения. Электролиты стоят во входных цепях импульсных источников питания сразу после выпрямителя сетевого напряжения, электролиты используют и в выходных цепях источников питания. Одним из основных параметров емкостных фильтров является коэффициент пульсаций. Коэффициент пульсаций с одной стороны определяется процессом разряда емкости током нагрузки. Амплитуда пульсаций, вызванная разрядом-зарядом емкости конденсатора равна:

I_load – ток разряда;

С – емкость конденсатора;

Δt – время между импульсами зарядного тока (определяется частотой питания ёмкостного фильтра).

Эту составляющую пульсаций можно снизить до очень малой величины увеличивая емкость и частоту.

Другая составляющая пульсаций определяется падением напряжения на внутреннем сопротивлении конденсатора ESR_C и равна:

I_load – ток разряда;

ESR_C – внутреннее последовательное сопротивление конденсатора.

Множитель 2 показывает удвоение амплитуды поскольку при заряде напряжение на нагрузке выше на величину I_load · ESR_C, а при разряде меньше на величину I_load · ESR_C (меняется направление тока, проходящего через конденсатор).

Эта составляющая пульсаций не зависит от емкости частоты, а определяется только током нагрузки и внутренним сопротивлением конденсатора.

Для выходных каскадов импульсных высокочастотных источников питания типична ситуация когда пульсации вызванные падением напряжения на внутреннем сопротивлении конденсатора, выше пульсаций обусловленных разрядом-зарядом емкости выходного конденсатора:

Рисунок C.12 – Пульсации напряжения на конденсаторе с малым и большим ESR при их одинаковой емкости

О параллельном включении керамических конденсаторов и электролитов

В схемотехнике выходных фильтров источников питания часто встречается последовательное соединение электролитического конденсатора и керамического (либо пленочного) малой емкости. Вопреки распространенному мнению, такое решение практически не снижает коэффициент пульсаций, но способствует подавлению высокочастотных помех, вызываемых коммутацией ключевых элементов. Для уменьшения коэффициента пульсаций используют LC-фильтры.

Рисунок C.13 – Параллельное включение электролитических и керамических конденсаторов

О монтаже электролитических конденсаторов

Не следует сильно загибать выводы электролитических конденсаторов непосредственно у корпуса – это может привести к нарушению герметичности и уменьшению срока службы.

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Как следует из названия, диэлектриком в данных конденсаторах является пленка оксида алюминия. Алюминиевые электролитические конденсаторы с жидким электролитом наиболее распространены среди электролитических конденсаторов. Это обусловлено высокой удельной емкостью, низкой стоимостью и широким диапазоном рабочих напряжений (15-450 В) и ёмкостей (1 мкФ — 1 Ф). Столь высокие значения удельной емкости достигаются за счет увеличения эффективной площади конденсаторов путем травления анодной фольги. Алюминиевые электролитические конденсаторы допускают кратковременные импульсные перенапряжения не более чем 10-15 % от рабочего напряжения.

Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют параллельное сопротивление, уменьшающееся с ростом напряжения на конденсаторе. То есть с увеличением напряжения ток разряда конденсатора будет нелинейно возрастать [Алюминиевые электролитические конденсаторы EPCOS. Справочник — http://www.platan.ru/docs/library/ALCAP_EPCOS.pdf]. Электролитические конденсаторы – устройства полярные и могут работать только при одной полярности напряжения, максимальное обратное напряжение на электролитах не должно превышать величину порядка 1,5 В. Следует быть осторожным при использовании стандартных алюминиевых «электролитов» в схемах, которые должны работать «долго и счастливо». Реально срок их службы составляет несколько десятков тысяч часов и зависит от температурного и токового режима работы.

Уменьшение температуры приводит к снижению (на 10-15 %) ёмкости алюминиевых электролитических конденсаторов в пределах рабочего температурного диапазона. Это необходимо учитывать при проектировании схем работающих в «уличных» условиях.

Для электролитических конденсаторов принято считать, что потери определяются только потерями, обусловленными эквивалентным последовательным сопротивлением. Это обусловлено тем, что на высоких частотах «электролиты» попросту не используются. При таком подходе ESR связано с тангенсом угла потерь соотношением [Алюминиевые электролитические конденсаторы EPCOS. Справочник — http://www.platan.ru/docs/library/ALCAP_EPCOS.pdf]:

tg δ – тангенс угла потерь;

f – частота на которой выполнено измерение tg δ;

C – емкость конденсатора.

Зная значение тангенса угла потерь и частоту, на которой он был измерен можно рассчитать величину ESR.

Танталовые электролитические конденсаторы

Танталовые конденсаторы по сравнению с алюминиевыми имеют большую удельную емкость и соответственно меньшие размеры. Кроме этого у них лучшая температурная стабильность, малые утечки, шире диапазон рабочих температур, значительно больший срок службы. И существенно большая стоимость. Именно по этим причинам танталовые конденсаторы являются атрибутом элитной электроники. Характерные значения емкости – 1-470 мкФ, рабочего напряжения – 4-50 В. В цепях помехоподавления танталовые электролитические конденсаторы могут быть заменены на неполярные многослойные керамические конденсаторы большой емкости имеющие меньшие значения ESR, ток утечки и стоимость.

Рисунок C.14 – Танталовые конденсаторы

Особые требования к конденсаторам в источниках питания

Входные конденсаторы

К входным конденсаторам импульсных стабилизаторов и преобразователей предъявляются особые требования по входному импедансу, в первую очередь к ESL (EffectiveSeries Inductance) и во вторую очередь к ESR (Equivalent Series Resistance). Даже сравнительно малая последовательная индуктивность входных конденсаторов может стать причиной выбросов напряжения и паразитных осцилляций на входных цепях преобразователей, что в свою очередь может привести к пробою коммутационных элементов. Традиционным решением является использование на входе преобразователя в дополнение к основным, как правило, электролитическим конденсаторам конденсаторов малой емкости, но обладающих низким ESL (как правило, пленочных или керамических). Эти конденсаторы располагают в непосредственной близости к силовому контуру коммутации. [Switching Regulator Fundamentals. Application Report SNVA559A–September 2012–Revised September 2016. Texas Instruments Incorporated. http://www.ti.com/lit/an/snva559a/snva559a.pdf].

Выходные конденсаторы

К выходным конденсаторам, которые выполняют роль фильтров и накопителей энергии в импульсных источниках питания предъявляются требования в первую очередь к их ESR. При этом особое внимание нужно обращать на диапазон частот, для которого изготовитель указывает ESR. Часто, для конденсаторов общего применения указывается ESR для частоты 120 Гц. На высоких частотах 20-100 кГц значение может сильно измениться. Поэтому необходимо точно знать ESR для частоты соответствующей рабочей частоте преобразователя. Кроме этого ESR обычных алюминиевых электролитических конденсаторов может изменяться более чем в 40 раз при изменении температуры в диапазоне от -40 до +25 °С. [Switching Regulator Fundamentals. Application Report SNVA559A–September 2012–Revised September 2016. Texas Instruments Incorporated. http://www.ti.com/lit/an/snva559a/snva559a.pdf]. ESR выходных конденсаторов является основной причиной пульсаций напряжения на выходе источников питания. Традиционным является параллельное включение конденсаторов с меньшей емкостью, при этом их ESR оказываются включенными параллельно.

Шунтирующие конденсаторы (bypass capacitors)

Шунтирующие конденсаторы используют для подавления (шунтирования) пульсаций и высокочастотных наводок по цепям питания микросхем. Традиционно для данных целей используются керамические конденсаторы.

Типоразмеры основных типов конденсаторов

Керамические SMD-конденсаторы

Рисунок C.15 – К типоразмерам керамических SMD-конденсаторов

Таблица C.4 – Типоразмеры и маркировка керамических SMD-конденсаторов

Типоразмер EIA (дюймы)	Типоразмер метрический, (мм)	L (мм)	W (мм)	H (мм)	T (мм)
0402	1005	1.0	0.5	0.55	0.2
0603	1608	1.6	0.8	0.9	0.3
0805	2012	2.0	1.25	1.3	0.5
1206	3216	3.2	1.6	1.5	0.5
1210	3225	3.2	2.5	1.7	0.5
1812	4532	4.5	3.2	1.7	0.5
1825	4564	4.5	6.4	1.7	0.5
2220	5650	5.6	5.0	1.8	0.5
2225	5664	5.6	6.3	2.0	0.5

Танталовые SMD-конденсаторы

Рисунок C.16 – Габаритные размеры танталовых чип-конденсаторов

Таблица C.5 – Типоразмеры и маркировка рабочих напряжений танталовых SMD-конденсаторов

Немного о конденсаторах! Что означает в конденсаторах микрофарад и вольт. для чего все в нем нужно?

И для чего вообще нужны конденсаторы! Задаю сюда сюда, что получить ответ прямым смыслом!

Ранее мы уже пытались определить зависимости емкости конденсатора, времени его заряда и диаметром вихря эфирона. Итак экспериментально выявлено следующее. Допустим у нас имеется конденсатор емкостью 1 мкф и 100 мкф номиналом в 1000 вольт. Параметры маленьких значений напряжения нет смысла рассматривать, так как при них невозможно будет осознать разницу во времени. Сразу отметим что емкость пропорционально площади обкладок. Запомним этот момент. Имеем источник высокого потенциала, например качер товарища Бровина, он же трансформатор Тесла, она же катушка Румкорфа без сердечника, она же катушка зажигания в автомобиле, он же ТДКС из старых цветных телевизоров. Допустим наш источник вырабатывает 1000 вольт напряжения. Если мы подключим к этому источнику конденсатор емкость в 1 мкф и засечем время на секундомере мы увидим, что он зарядится до своего номинала или же если номинал больше напряжения источника, то до напряжения источника примерно за 2,6 секунд. Теперь если мы подключим конденсатор с емкостью 100 мкф и засечем время то увидим, что теперь конденсатор зарядится примерно за 0,5 секунд. Почему же емкость конденсатора влияет или, правильнее сказать определяет время заряда конденсатора? Чтобы это понять, вспомним экспериментальную информацию, где мы ясно увидели зависимость диаметра вихря эфирона от напряжения системы. Например при напряжении 10 вольт диаметр вихря 1 мм, а при напряжении 220 вольт диаметр вихря уже 2,2 см. а при 1000 вольт диаметр уже 3 метра или то что называют зоной ионизации, которая например образуется вокруг трансформатора большого напряжения Тесла. При увеличении силы тока увеличивается их частота вращения, которая сообщает силу трения сердечнику трансформатора или образцу в индукционной печи. Иными словами при напряжении источника 1000 вольт диаметр локализующейся вихревой структуры 3 метра . Представьте что на фоне обкладок конденсатора вращается невидимый вихрь, части которого мы можем наблюдать рассматривая дугу тока высокой частоты. Один заряд конденсатора равен одному обороту вихря. Представьте что на фоне ваших обкладок площадью 1 см^2 вращается структура, диаметр которой 3 метра. Она так сказать «краем цепляет» эти обкладки, именно поэтому время заряда конденсатор так велико. Уменьшая напряжение Вы будете уменьшать диаметр, и достигните идеального соотношения, когда диаметр вихря будет равен линейному размеру обкладки, при этом этом время их заряда будет равно почти мгновенности, ну или равное 50 сердцам в секунду. Поэтому чем больше емкость конденсатора тем больше площадь его обкладок и тем меньше времени требуется на его заряд. В следующей статье мы поговорим как эквивалентировать площадь обкладок изменением геометрии этих обкладок. «Зависимость емкости конденсатора от площади пластин объясняется тем, что при большей поверхности пластин на них помещается больший по величине электрический заряд при данном напряжении.» В силу выше сказанного читай «помещается большего диаметра вихрь»

Как выбрать конденсатор?

Конденсатор — один из простейших двухэлектродных пассивных электронных радиокомпонентов, предназначение которого — накапливать электрический заряд.

Вместе с резисторами, это настоящие столпы электроники — они есть буквально во всех электроприборах. Имея незамысловатый конструктив и работая по простому принципу, но обладая очень длительным периодом развития, этот радиокомпонент играет незаменимую роль в работоспособности подавляющего числа электрических цепей.

Данная статья кратко расскажет, как создавался этот прибор, познакомит с его устройством и принципом работы, условным графическим изображением на схемах. Также будут отражены типовые разновидности конденсаторов, их параметры и будет дана методология расшифровки чаще всего встречающихся маркировок.

Время чтения: 15 минут

Эксперт — Василий Мокрецов

История создания

Конденсатор (от лат. condensatio — «накопление»), а если быть точным, то его ранний предшественник — «лейденская банка», был изобретён сравнительно давно — в 1745 году в голландском городе Лейден учёным Питером ван Мушенбрук.

Им стал стеклянный сосуд — банка, внутренняя и наружная поверхность которой были обложены тонколистовым оловом. Эти металлические обкладки и служат конденсаторными электродами, разделёнными диэлектрическим корпусом банки.

Они накапливают на своих обкладках заряд электроэнергии, полученный, допустим, от электрофорной машины, хорошо всем известной из школьных уроков физики.

Это событие ознаменовало начало нового этапа эволюции теоретической электродинамики и её практической стороны — электротехники, которые впоследствии развились до такого раздела науки как электроника.

Основы функционирования конденсатора

Устройство и принцип работы

На рисунке изображена модель простого плоского конденсатора, который лежит в основе всех существующих компонентов. Конструктивно он очень прост, состоит (как минимум) из двух обкладок, разделённых слоем диэлектрика.

Принцип работы тоже несложен и заключается в том, что при подведении к обкладкам разноимённых зарядов, т.е. заряде конденсатора, они накапливаются, благодаря образующемуся между обкладками электрическому полю. При разряде конденсатора накопленная энергия возвращается в электрическую цепь.

Так как этот элемент нужен для накопления электричества, то логично предположить, что основной его характеристикой, показывающей, насколько много может накапливаться электроэнергии, стала электрическая ёмкость, обозначаемая литерой C.

Единицей её измерения выбран фарад (Ф, F), названной в честь английского ученого-электродинамика Майкла Фарадея. Если электрический заряд Q величиной в 1 кулон, образует между обкладками разность потенциалов V в 1В, то величина C будет равно 1 фарад:

Ёмкость прямо пропорциональна площади обкладки и находится в обратной пропорции от толщины диэлектрика:

, где ε — диэлектрическая способность среды, разделяющей обкладки (диэлектрика); ε0 — значение электрической постоянной, равняющейся

8,854*10-12 Ф/м; A — площадь обкладки; d — расстояние между обкладками (толщина диэлектрика). Диэлектрическая проницаемость используемых материалов представлена в таблице:

Условное графическое изображение

Оно удивительным образом схоже с его конструкцией и состоит из двух параллельных линий — «обкладок». Так же как в формулах электрическая ёмкость обозначается литерой C, так и на принципиальных схемах он отображается аналогично:

На рисунке изображены следующие основные типы конденсаторов:

• С1 — постоянной ёмкости;
• С2 — электролитический полярный;
• С3 — электролитический неполярный;
• С4 — переменной ёмкости;
• С5 — переменной ёмкости подстроечный.

Подробнее о различных типах этих радиодеталей будет описано в следующем разделе.

Рядом с условным изображением обязательным образом указывается базовая характеристика — электрическая ёмкость. Так как фарад — относительно крупная единица, то обозначение, как правило, производится в его долях:

Наименование дольной единицы	Степень	Обозначение
пикофарад	10-12	пФ, pF, p или без обозначения единицы и без дроби после номинала, к примеру, «68»
нанофарад	10-9	нФ, nF или n
микрофарад	10-6	мкФ, mF, μF, μ, uF, u или без обозначения единицы, но с десятичной дробью после номинала, например «0.33». На американских схемах если первый знак номинала 0, то он не пишется. К примеру, «.33» на американских них означает то же, что и «0.33» на европейских и российских.

Помимо обозначения ёмкости, может присутствовать указание максимального рабочего напряжения. Как правило, оно присутствует у электролитических и высоковольтных моделей, где этот параметр особенно важен.

Разновидности конденсаторов

В разделе будет описано несколько типов приборов. Важнейший критерий разделения на типы — конструктивное исполнение и используемый материал диэлектрика.

Конденсатор с твёрдым диэлектриком

Это наиболее распространённый тип. Полярности у него нет. В качестве обкладок используется металлическая фольга, либо металлизационное напыление, а в качестве изоляции полимерная плёнка, слюда, керамика и т.п. Бумажный изолятор, как правило, пропитывается маслом для улучшения диэлектрических свойств. Его ёмкость от нескольких пФ до мкФ и рабочее напряжение от десятков вольт до десятков киловольт. Демонстрирует среднюю удельную ёмкость (т. е. её значение на единицу массы/объёма).

Конденсатор с плёночным диэлектриком на 100 нФ и 100В на плате импульсного блока питания Конденсаторы с керамическим диэлектриком на 68 пФ, 100 нФ и 330 нФ и 50В Конденсаторы для поверхностного монтажа (SMD) с керамическим диэлектриком на 100 нФ и 50В

Конденсатор с оксидным диэлектриком (электролитические, или «электролиты»)

Это тоже повсеместно устанавливаемый тип устройств. Он полярен (за исключением неполярных образцов, применяемых в цепях переменного тока).

В качестве анода (положительного электрода) применяется алюминиевая фольга, катода (отрицательного электрода) — гелеобразный или жидкий электролит, а изолятором служит тончайшая оксидная плёнка, образуемая на поверхности анода в результате химического действия на него электролита. Его ёмкость от долей мкФ до нескольких Ф и рабочее напряжение от нескольких до сотен вольт. Благодаря сверхтонкому изолирующему слою показывает высокую удельную ёмкость.

Для её ещё большего повышения (т.е. и для увеличения степени миниатюризации) в конструкции применён металлический тантал или ниобий. Такая разновидность приборов обладает сравнительно невысоким поддерживаемым напряжением, не превышающим, обычно, 50В, но демонстрирует высокую надежность, долговечность и временну́ю стабильность параметров.

Электролитические конденсаторы на 470 мкФ и 16В Электролит для поверхностного монтажа (SMD) на 100 мкФ и 16В на плате преобразователя напряжения Танталовый SMD-электролит, предназначенный для поверхностного монтажа, на 100 мкФ и 16В на GSM-модуле

Следует особо отметить подверженность «электролитов» старению, т.е. ухудшению важнейшего параметра — его ёмкости. Особенно это становится заметно у дешёвых изделий, срок службы которых может не превышать 3-5 лет. Также к их преждевременному выходу из строя приводит работа в условиях повышенной температуры и импульсных токов высокой частоты. Предельный температурный режим указан на корпусе большинства выводных радиокомпонентов.

Конденсатор с воздушным (вакуумным) диэлектриком

К рассматриваемому виду можно отнести как конденсаторы переменной ёмкости (включая подстроечные) с механическим изменением её значений , повсеместно использовавшиеся в радиоприёмной и радиопередающей аппаратуре прошлого века в качестве органа настройки на требуемую частоту, так и применяемые в индукционных и высоковольтных электроустановках детали.

Первые уже практически вышли из употребления и сегодняшней приборостроительной промышленностью не выпускаются, а описание конструкции и назначения вторых выходит за рамки нашей статьи.

Вариконд

Эти приборы отличает необычное свойство — их ёмкостные свойства колеблются в зависимости от приложенного к электродам напряжения, т. е. они выступают конденсаторами переменной ёмкости с её электрическим регулированием.

В качестве диэлектрика в них используется сегнетоэлектрическая керамика, меняющая диэлектрическую проницаемость при изменении напряжённости электрического поля между обкладками.

Его ёмкость от долей пФ до сотен нФ. Характерным недостатком стала ёмкостная нестабильность. В современной радиоэлектронике он используется редко и почти повсеместно вытеснен более совершенным полупроводником — варикапом.

Основные электрические параметры конденсатора

В разделе сжато будут рассмотрены базовые эксплуатационные параметры, которые необходимо учитывать при выборе радиодетали, так как они напрямую влияют на стабильность, надёжность и безопасность построенных с её участием систем.

Электрическая ёмкость

Эта характеристика для радиокомпонентов этого типа основополагающая, и она определяет величину накопленной энергии. Измеряется в фарадах (Ф, F). У идеального конденсатора это стабильная характеристика, которая зависит только от геометрических размеров (площади) обкладок и толщины изолятора-диэлектрика:

, где ε — диэлектрическая проницаемость изолятора обкладки (диэлектрика); ε0 — электрическая постоянная, равная

8,854*10-12 Ф/м; A — площадь обкладки; d — расстояние между ними (толщина диэлектрика). Но на практике у нее прослеживается некоторая зависимость от нескольких факторов (температуры (ТКЕ), влажности, частоты тока, особенностей материала и других).

Ёмкость при параллельном соединении складывается:

, а при последовательном вычисляется по формуле:

Максимальное рабочее напряжение

Оно определяется материалом и толщиной диэлектрического слоя и отражает предельное рабочее напряжение, , при превышении которого произойдет его электрический пробой, появление короткого замыкания либо дугового разряда внутри компонента, т. е. его выход из строя. Это особенно опасно у электролитических версий, т. к. приводит к перегреву, закипанию электролита, повышению давления внутри корпуса вплоть до взрыва.

Во избежание серьезных последствий корпус снабжают предохранительными пробками или насечками, в местах которых происходит излом и разгерметизация, если будет превышено определённое значение внутреннего давления.

Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ, TCC)

ТКЕ — характеристика, в численном виде представляющая зависимость ёмкости от температуры.

В нашем мире всё подчинено законам физики, в том числе и материал-диэлектрик, который под термовоздействием может расширяться и сжиматься, тем самым меняя расстояние между обкладками и ёмкость радиоэлемента.

ТКЕ показывает нам усреднённую линейную зависимость того, как она меняется при изменении внешней температуры на 1°C. Показатель может быть как положительным, так и отрицательным.

Для моделей, не имеющих нормированный ТКЕ, или со сложной нелинейной зависимостью, как правило, ёмкостная девиация приводится в % от номинальной в заданном рабочем диапазоне температур, например, «±10% (20-85°C)».

Конденсаторы обладающие низким ТКЕ называют термостабильными, а высоким отрицательным ТКЕ — термокомпенсированными. Они ставятся в колебательных контурах для повышения стабильности частоты колебаний.

Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, ESR)

ЭПС — характеристика определяющая величину электросопротивления обкладок, диэлектрика, выводов, включённого последовательно с основной ёмкостью.

ЭПС приводит к рассеиванию мощности и потере энергии при протекании большого переменного или пульсирующего тока через компонент, его нагреву и снижению срока службы. . Но в слаботочных сигнальных цепях ЭСП практически не оказывает негативного влияния на функциональность устройства.

Этот параметр напрямую зависим от качества применяемых материалов для производства, а также в общем случае от типа используемого диэлектрика и ёмкости. В наиболее ответственной аппаратуре необходимо использовать радиоэлементы с как можно более низким эквивалентным последовательным сопротивлением, т. е. так называемые Low ESR-конденсаторы.

Также ЭПС может увеличиваться в течение срока службы прибора из-за жёсткого режима работы (импульсное питание, частый или постоянный нагрев) и деградации материалов, и приводить к его выходу из строя. Особенно часто это встречается на материнских платах компьютеров.

обычно не маркируется на поверхности корпуса, и может быть взят из документации, либо измерен с помощью прибора: допустим, недорогого, но многофункционального измерителя LCR-T4, способного измерять не только ЭПС, но их сопротивление, ёмкость, индуктивность, определять исправность и цоколёвку диодов, транзисторов, симисторов, тиристоров и многое другое.

Маркировка конденсаторов

В этом разделе будут приведены рекомендации по расшифровке обозначений только наиболее часто применяемых керамических и плёночных компонентов. Связано это с тем, что «электролиты», как правило, получают полную маркировку на своём корпусе и не требуют специальных мер по расшифровке информации, а радиокомпоненты для поверхностного монтажа вовсе не содержат никакого ни буквенно-цифрового, ни цветового маркирования, поэтому их эксплуатационные параметры определяются опытным путём.

Например, с помощью высокоточного измерителя RLC XJW01. Фирменные компоненты, имеющие сложную буквенно-цифровую маркировку и цветовую идентификацию, должны расшифровываться с использованием документации производителя.

Маркировка малогабаритных керамических конденсаторов состоит из трёх цифр:

Первые две цифры — номинал в пФ, а третья — множитель (или степень), т. е. сколько раз номинальное значение умножается на 10:

Иногда множитель 0 не маркируется. Тогда маркировка будет тождественна его ёмкости в пФ;

У плёночных компонентов маркировка в большинстве случаев аналогична керамическим. Однако может дополнительно маркироваться предельно допустимое напряжение и допуск, т. е. возможное отклонение ёмкости от номинала, кодируемое латинской литерой:

Таблица маркировки допуска представлена ниже:

Литера	Допуск, %	Литера	Допуск, %
B	±0.1	M	±20
C	±0.25	N	±30
D	±0.5	Q	−10÷+30
F	±1	S	−20÷+50
G	±2	T	−10÷+50
J	±5	Y	−10÷+100
K	±10	Z	−20÷+80

Разработанный более 280 лет назад конденсатор претерпел значительную эволюцию от «лейденской банки» до новейших миниатюрных элементов с высокой удельной ёмкостью и надёжностью.

Наряду с резистором, это наипростейший, но важный компонент. Но в простоте его конструкции и применения скрыта широчайшая универсальность: практически ни один радиоэлектронный прибор не обходится без конденсаторов. Их можно встретить и в архаичных радиоприемниках и на платах ультрасовременных компьютеров; они «трудятся» на большой глубине в шахтном оборудовании и «летают» в космос.

Можно смело заявить, что, как и резистор, — это основа электротехнических устройств, и отказаться от него в пользу чего-то другого не представляется возможным.

Спутниковое телевидение

Емкость конденсаторов может измеряться в микрофарадах (uF), нанофарадах (nF), пикофарадах (pF) и обозначаеться специальным кодом. Данная таблица поможет вам разобраться в маркировке обозначений при различных измерительных номиналах и подобрать нужные аналоги для замены. Существует универсальный измерительный прибор для радиокомпонентов. Может измерять индуктивности, ESR и потери электролитических конденсаторов. Проверяет и транзисторы (включая MOSFET), диоды, стабилитроны, кварцы. Тип деталей определяется автоматически и выводит значения на дисплей. В этом обзоре ESR тестер я описывал этот прибор.

uF (мкФ)	nF (нФ)	pF (пФ)	Code (Код)
1uF	1000nF	1000000pF	105
0.82uF	820nF	820000pF	824
0.8uF	800nF	800000pF	804
0.7uF	700nF	700000pF	704
0.68uF	680nF	680000pF	624
0.6uF	600nF	600000pF	604
0.56uF	560nF	560000pF	564
0.5uF	500nF	500000pF	504
0.47uF	470nF	470000pF	474
0.4uF	400nF	400000pF	404
0.39uF	390nF	390000pF	394
0.33uF	330nF	330000pF	334
0.3uF	300nF	300000pF	304
0.27uF	270nF	270000pF	274
0.25uF	250nF	250000pF	254
0.22uF	220nF	220000pF	224
0.2uF	200nF	200000pF	204
0.18uF	180nF	180000pF	184
0.15uF	150nF	150000pF	154
0.12uF	120nF	120000pF	124
0.1uF	100nF	100000pF	104
0.082uF	82nF	82000pF	823
0.08uF	80nF	80000pF	803
0.07uF	70nF	70000pF	703
0.068uF	68nF	68000pF	683
0.06uF	60nF	60000pF	603
0.056uF	56nF	56000pF	563
0.05uF	50nF	50000pF	503
0.047uF	47nF	47000pF	473
0.04uF	40nF	40000pF	403
0.039uF	39nF	39000pF	393
0.033uF	33nF	33000pF	333
0.03uF	30nF	30000pF	303
0.027uF	27nF	27000pF	273
0.025uF	25nF	25000pF	253
0.022uF	22nF	22000pF	223
0.02uF	20nF	20000pF	203
0.018uF	18nF	18000pF	183
0.015uF	15nF	15000pF	153
0.012uF	12nF	12000pF	123
0.01uF	10nF	10000pF	103
0.0082uF	8.2nF	8200pF	822
0.008uF	8nF	8000pF	802
0.007uF	7nF	7000pF	702
0.0068uF	6.8nF	6800pF	682
0.006uF	6nF	6000pF	602
0.0056uF	5.6nF	5600pF	562
0.005uF	5nF	5000pF	502
0.0047uF	4.7nF	4700pF	472
0.004uF	4nF	4000pF	402
0.0039uF	3.9nF	3900pF	392
0.0033uF	3.3nF	3300pF	332
0.003uF	3nF	3000pF	302
0.0027uF	2.7nF	2700pF	272
0.0025uF	2.5nF	2500pF	252
0.0022uF	2.2nF	2200pF	222
0.002uF	2nF	2000pF	202
0.0018uF	1.8nF	1800pF	182
0.0015uF	1.5nF	1500pF	152
0.0012uF	1.2nF	1200pF	122
0.001uF	1nF	1000pF	102
0.00082uF	0.82nF	820pF	821
0.0008uF	0.8nF	800pF	801
0.0007uF	0.7nF	700pF	701
0.00068uF	0.68nF	680pF	681
0.0006uF	0.6nF	600pF	621
0.00056uF	0.56nF	560pF	561
0.0005uF	0.5nF	500pF	52
0.00047uF	0.47nF	470pF	471
0.0004uF	0.4nF	400pF	401
0.00039uF	0.39nF	390pF	391
0.00033uF	0.33nF	330pF	331
0.0003uF	0.3nF	300pF	301
0.00027uF	0.27nF	270pF	271
0.00025uF	0.25nF	250pF	251
0.00022uF	0.22nF	220pF	221
0.0002uF	0.2nF	200pF	201
0.00018uF	0.18nF	180pF	181
0.00015uF	0.15nF	150pF	151
0.00012uF	0.12nF	120pF	121
0.0001uF	0.1nF	100pF	101
0.000082uF	0.082nF	82pF	820
0.00008uF	0.08nF	80pF	800
0.00007uF	0.07nF	70pF	700
0.000068uF	0.068nF	68pF	680
0.00006uF	0.06nF	60pF	600
0.000056uF	0.056nF	56pF	560
0.00005uF	0.05nF	50pF	500
0.000047uF	0.047nF	47pF	470
0.00004uF	0.04nF	40pF	400
0.000039uF	0.039nF	39pF	390
0.000033uF	0.033nF	33pF	330
0.00003uF	0.03nF	30pF	300
0.000027uF	0.027nF	27pF	270
0.000025uF	0.025nF	25pF	250
0.000022uF	0.022nF	22pF	220
0.00002uF	0.02nF	20pF	200
0.000018uF	0.018nF	18pF	180
0.000015uF	0.015nF	15pF	150
0.000012uF	0.012nF	12pF	120
0.00001uF	0.01nF	10pF	100
0.000008uF	0.008nF	8pF	080
0.000007uF	0.007nF	7pF	070
0.000006uF	0.006nF	6pF	060
0.000005uF	0.005nF	5pF	050
0.000004uF	0.004nF	4pF	040
0.000003uF	0.003nF	3pF	030
0.000002uF	0.002nF	2pF	020
0.000001uF	0.001nF	1pF	010

Очень часто для проведения ремонтных работ в электронных устройствах, необходимо иметь в запасе конденсаторы различных номиналов. Так как в магазине зачастую на все случаи жизни приобрести нет возможности, поэтому в большинстве случаев заказываю у китайских товарищей на площадке Aliexpress. В продаже имеются также в большем асортименте электролитические конденсаторы. Можно приобрести набором по 10-20 различных номиналов.