Что такое конденсатор и для чего он нужен в схемах

Общая концепция

Конденсатор – компонент, способный хранить и передавать энергию внутри электрических схем. Его строение содержит пару металлических пластин с диэлектриком между ними. Во время подачи напряжения электрическая энергия накапливается, получая возможность передаваться.
С помощью фильтрации сигналов он может удалять помехи и шумы из электрических сигналов, делая их более чистыми и стабильными. Эти компоненты полезны для сохранения энергии, компенсации реактивной мощности и формирования таймеров с генераторами сигналов и фазовыми сдвигами.

Принцип работы конденсатора

Как работает конденсатор?
При подаче напряжения, заряды, содержащие плюсовое значение, скапливаются на одной пластине, а заряды с минусовым значением на противоположной, образуя тем самым разность потенциалов между пластинами, приводя к образованию электрического поля на диэлектрике.

Когда компонент содержит электрический заряд, при этом находясь подключенным к цепи, он способен вернуть уже накопленную энергию назад. При этом заряд, сохраненный на пластинах, начинает двигаться в обратном направлении до полного разряда.

Конденсатор и цепь постоянного тока

Если электронный компонент зарядился, то сразу перестает пропускать постоянный ток через себя, так как диэлектрик блокирует его.
Но даже после блокировки тока, устройство всё ещё способно влиять на цепочку. При её включении, устройство может создать временное падение напряжения из-за недостатка заряда. Эти свойства полезны для улучшения эффективности цепи, фильтрации постоянного тока.

Цепь с переменным током

Даёт возможности для эксплуатации электронных компонентов при фазовых сдвигах внутри цепи переменного тока, формирования таймеров, генераторов сигналов. 

Назначение и функции конденсаторов

  • Хранение электрической энергии внутри электрических схемах.
  • Фильтрация сигналов переменного тока.
  • Формирование фазовых сдвигов в цепях.
  • Функция компенсации реактивной мощности.
  • Образование таймеров, генераторов сигналов.
  • Избавление от помех/шумов из электрических сигналов.

Примеры использования

  • Зарядка для мобильных телефонов
  • Аудиоустройства
  • Кондиционеры /холодильники
  • Автомобильные системы
  • Электронные игры/девайсы

Фазовые искажения

Фазовые искажения возникают внутри цепи во время применения электронных компонентов, которые могут вызывать смещение фазы между напряжением и током.

Фазовые искажения очень нежелательны в приложениях, особенно для систем, где точное соответствие фазы между напряжением и током критично.
Они могут быть полезны, а именно для фазовых сдвигов или для коррекции мощности системы.

Принцип работы конденсаторов

Устройства работают на основе электрического явления — электроёмкости. Когда электронный компонент присоединяется к носителю энергии, он начинает заряжаться из-за разницы потенциалов между пластинами, которая создается электрическим полем в диэлектрике.

Когда компонент заряжен и выполнено подсоединение к электрической цепи, он может отдавать сохраненную электрическую энергию обратно. При этом заряд, накопленный на пластинах, начинает постоянно утекать, пока он полностью не разрядится.

Устройство конденсаторов

Пакетная конструкция

Наиболее частый тип, состоящий из двух пластин, между которыми диэлектрик. Эти пластины упакованы в маленький пакет. Пакетная конструкция компактна и удобна для установки/применения. Их предназначение в электронике для фильтрации сигналов, временного хранения энергии, компенсации реактивной мощности.

Трубчатая конструкция

Конструкция в виде трубки, содержащая проводящую жидкость или газ. Это позволяет им иметь большую емкость и способность работать с высокими напряжениями. Вот почему эта конструкция часто применяется внутри мощных схем, таких как системы электропитания, электронные усилители.

Дисковая конструкция

Два проводящих диска, разделенные диэлектриком. Они обеспечивают небольшую емкость, а также широкий интервал рабочих напряжений. Применяются для электроники, устранения помех/шумов в цепях, для фильтрации сигналов.

Литая секционированная конструкция

Включает в себя отдельные секции компонента, изолированные друг от друга. Это делает конструкцию более надежной, равно устойчивой к перегрузкам.

Рулонная конструкция

Состоит из двух проводников, которые наматываются в рулон с диэлектриком между ними. 
Представляют собой компактные устройства, состоящие из слоев полимерной пленки, электрода. Они обладают высоким уровнем энергоемкости, а также стабильностью работы. Благодаря своей компактности, они применяются в устройствах, таких как смартфоны, портативные зарядные устройства.

Где используются конденсаторы

Зачем они нужны?

Чаще всего применяются для сглаживания пульсаций внутри цепи питания, блокировки постоянного тока, усиления сигналов, для регулировки и поддержания поля в цепи. Кроме того, они обеспечивают временное накопление и хранение энергии, а также находят свое применение в электронных устройствах, общении, транспортной промышленности, медицине, а также многих других областях. Работа, выполняемая этими устройствами, позволяет улучшить эффективность системы, стабилизировать напряжение, снизить помехи.

Поведение конденсатора в цепях постоянного и переменного тока

Если энергохранитель заряжен на максимальную ёмкость, происходит блокировка тока в цепочках постоянного тока. Внутри цепей переменного тока они пропускают его, когда частота сигнала меняется, тем самым работая как фильтр для сигналов различной частоты. 

Виды и классификация конденсаторов

Виды различают по материалам диэлектрика, емкости, максимальному рабочему напряжению, температурному диапазону. Основные типы представлены ниже.

Электролитические конденсаторы

Используют электролит в качестве одного из своих пластин. Эти электронные компоненты обладают высокой емкостью, но содержат большой размер с нестабильными параметрами.

Пленочные и металлопленочные конденсаторы

Используют пленку как конденсаторный диэлектрик. Характерны стабильными параметрами, долгим сроком службы. Металлопленочные — разновидность пленочных, содержат металлизированную пленку, обеспечивающую им высокую точность с надежностью.

Керамические конденсаторы

Используют керамику как диэлектрик, малы по размеру и обладают сравнительно низкой емкостью, ценой.

Бумажные и металлобумажные конденсаторы

Используют бумагу как диэлектрик. Они содержат большую емкость, применяются в старых или винтажных устройствах. Металлобумажные — разновидность, внутри которой бумага покрыта тонким слоем металла.

Основные параметры конденсаторов


Емкость

Емкость определяет количество заряда, сохраняемое компонентом. Для измерения этого параметра используют фарад «F». Обычно емкость составляет диапазон от пикофарада(pF) до микрофарада (µF).

Удельная емкость

Удельная емкость показывает количество заряда, которое может накопиться на единицу поверхности. Полезна при сравнении конденсаторов с различными геометрическими характеристиками.

Плотность энергии

Плотность – количество энергии, которую электронный компонент может хранить в единице объема. Эта величина подчиняется параметрам емкости, напряжения. Увеличивая емкость или напряжение, повышается плотность энергии. Её можно рассчитать так: W = 1/2 * C * V^2, здесь W — плотность энергии, C — емкость, V — напряжение. 

Полярность

Электролитические и танталовые электрические компоненты, представляют собой полярное соединение, поэтому содержат позитивный и отрицательный терминалы, следственно должны подключаться в нужном направлении. Неправильное подключение влечёт за собой повреждение или неисправность.

Паразитные параметры конденсаторов

Кроме основных параметров есть паразитные, влияющие на работу. Они включают:

Активное сопротивление (ESR): ослабляет прохождение тока через конденсатор. Высокое ESR означает потерю мощности и перегрев.

Индуктивность: Этот параметр может влиять на способность блокировать или пропускать ток при разных частотах.

Утечка тока: процесс утраты небольшого количества электрического тока через электронный компонент. Это снижает его качество вместе со сроком службы.

Паразитные параметры могут вызвать нежелательные эффекты: потерю мощности, нагрев, шум.

Обозначение конденсаторов на схеме

Схема данных устройств представляет собой рисунок, содержащий символы.
Один из наиболее распространенных символов — параллельные линии, которые представляют пластины. Иногда между этими линиями нарисована дополнительная, чтобы указать наличие диэлектрика между пластинами. Этот символ часто используется для обозначения устройства с фиксированной емкостью.

Для различных типов электронных компонентов могут использоваться и другие обозначения: положительный/отрицательный выводы «+» / «-«, керамические изображают как — «С» или «СК», а танталовые — «Т». Дополнительные маркировки указываются рядом с символами.

Свяжитесь с нами