Электрический конденсатор – устройство, способное накапливать электрический заряд. Его главным параметром является емкость – отношение величины заряда Qк к напряжению на его обкладках Uк. Это можно выразить формулой C = Qк/ Uк. При этом Uк выражено в вольтах В, заряд Qк выражен в кулонах Кл, а емкость С выражается в фарадах Ф.
Конденсаторы могут быть с переменной и постоянной емкостью, а также подстроечными. Емкость подстроечных или конденсаторов переменной емкости может варьироваться в определенных пределах с помощью органов регулирования. Емкость подстроечных конденсаторов может изменятся лишь несколько раз, так как они не рассчитываются на многократную регулировку, в отличии от элементов с переменной емкостью.
Простейший конденсатор образовывается двумя обкладками из токопроводящего материала, в качестве которого довольно часто используют алюминий, ниобий, тантал или сплавов тантала с ниобием, и слоя диэлектрика, который прокладывается между обкладками. В качестве диэлектрика может быть использован тефлон (полифторэтилен), фторпласт, майлар (полиэтилентерефталат), слюда, стекло, керамика и другие диэлектрические материалы.
Диэлектрики конденсаторов делят на пять групп:
- Жидкостные, например, маслонаполненные;
- Твердые неорганические диэлектрики – стеклоэмаль, стеклокерамика, керамика;
- Твердые органические диэлектрики – фторопласт;
- Оксидные – электролитические, оксидно-полупроводниковые;
- Газонаполненные – вакуумные и воздушные, наполненные инертными газами;
Выраженную в пикофарадах емкость конденсатора можно вычислить по следующей формуле:
Где: S – площадь одной из обкладок, имеющих форму пластины, см2;
dk – расстояние между обкладками конденсатора, см;
ε – диэлектрическая проницаемость;
Чтобы получить максимальную емкость конденсатора проницаемость материала диэлектрика должна быть максимальна, при этом размеры обкладок должны быть велики, а расстояние между ними мало.
Для уменьшения габаритов конденсаторов некоторые типы устройств сворачивают в бобины – диэлектрики и обкладки, образованные окислами или пленками, и получившийся рулон заключают в тонкостенный корпус-стакан. Например, алюминиевые электролитические конденсаторы относят к компонентам бобинной конструкции. Диэлектрик оксидных конденсаторов может быть жидким или твердым.
Основные параметры конденсаторов:
- Емкость номинальная и диапазон ее допустимых отклонений;
- Номинальное напряжение на обкладках;
- Тангенс угла потерь – отношение активной мощности к реактивной;
- Максимальный переменный ток;
- Сопротивление паразитное выводов и обкладок (ESR);
- Паразитная индуктивность (ESL);
- Масса и габариты;
- Диапазон рабочих частот;
- Ток утечки;
- Надежность;
- Время наработки на отказ при заданном коэффициенте нагрузки и условиях окружающей среды;
От типа диэлектрика, температуры, напряженности поля и других факторов будет зависеть тангенс угла потерь. Для конденсаторов, которые работают в колебательных системах квазирезонансных и резонансных импульсных источниках питания одним из важнейших параметров является переменный ток, который может выдержать компонент, так как значения токов могут достигать десятков ампер (например, в сварочных инверторах). Емкости электролитических конденсаторов в значительной степени зависят от температуры – при отрицательной температуре емкость значительно уменьшается.
Мощность потерь в диэлектрике можно вычислить по формуле:
Где: С – емкость, Ф; F – частота, Гц; U – эффективное напряжение на обкладках конденсатора, В; tg δ – тангенс угла потерь диэлектрика (справочный параметр на конкретную марку конденсаторов).
Простейшую эквивалентную схему конденсатора можно представить как последовательное соединение емкости, паразитной индуктивности ESL, паразитного сопротивления обкладок ESR. Параллельно емкости будет находится паразитное сопротивление диэлектрика.
При протекании переменного тока на ESR падает напряжение и выделяется тепло. Чем выше ESR, тем больше мощность потерь. Перегрев, вызванный выделением тепла, может привести к разрушению компонента. С целью снижения паразитного сопротивления конденсаторы относительно небольшой емкости подключают параллельно друг другу, тем самым обеспечивая необходимую емкость.
На низких частотах (примерно до 1 кГц) влияние величины паразитной индуктивности ESL невелико и ее довольно часто не учитывают. При больших частотах влияние паразитной индуктивности ESL увеличивается и при протекании импульсного тока образовываются выбросы ЭДС самоиндукции. При этом выброс импульсного напряжения приложенного обратной полярностью к конденсатору может привести к разрушению, например, электролитического конденсатора, диэлектрик которого чувствителен к обратному напряжению.
Керамические конденсаторы некоторых типов вполне способны работать на частотах в сотни мегагерц и при этом обладают довольно низкими значениями паразитных сопротивлений ESR и ESL, но их емкости, к сожалению, не превышают сотен нанофарад. Алюминиевые электролитические конденсаторы могут работать на частотах до нескольких десятков килогерц и при больших емкостях (до тысяч микрофарад), но обладают довольно высокими величинами ESR и ESL. В случае, если необходим высокочастотный конденсатор большой емкости, можно использовать параллельное подключение элементов.
