Конденсаторы

Лекция № 4
Тема: «Электрическая цепь и ее элементы. Конденсатор»
1. Емкостный элемент (конденсатор).
2. Схемотехническое применение конденсаторов.
Ставрополь, 2015 год
Лекция № 4
1 Емкостный элемент (конденсатор)
Условное графическое изображение конденсатора приведено на рис. 3,а.
Конденсатор – это пассивный элемент, характеризующийся емкостью. Для
расчета
последней
необходимо
рассчитать
электрическое
поле
в
конденсаторе. Емкость определяется отношением заряда q на обкладках
конденсатора к напряжению u между ними
и зависит от геометрии обкладок и свойств диэлектрика, находящегося
между ними. Большинство диэлектриков, используемых на практике,
линейны, т.е. у них относительная диэлектрическая проницаемость
В этом случае зависимость
=const.
представляет собой прямую линию,
проходящую через начало координат, (см. рис. 3,б) и
.
У
нелинейных
диэлектриков
(сегнетоэлектриков)
диэлектрическая
проницаемость является функцией напряженности поля, что обусловливает
нелинейность зависимости
(рис. 3,б). В этом случае без учета явления
электрического
гистерезиса
статической
нелинейный
конденсатор
и дифференциальной
характеризуется
емкостями.
Конденсаторы занимают второе после резисторов место по степени
использования в электронных устройствах. Они представляют собой
довольно интересные электронные штучки. В них хранятся электроны,
притягиваясь к положительному полюсу. Если убрать приложенное к
конденсатору напряжение, то электроны постепенно рассосутся. Благодаря
протяженности во времени накопления и рассасывания электронов,
конденсаторы могут работать в качестве элементов, сглаживающих перепады
напряжения. В некоторых случаях цепочку из резистора и конденсатора
можно успешно использовать в качестве таймера
Именно благодаря
конденсаторам становится возможной работа усилителей и тысяч других
схем. Конденсаторы используются в большинстве электронных устройств
для выполнения самых разных функций:
Создания таймеров: простейший таймер представляет собой
своеобразный электронный метроном и состоит из конденсатора и
резистора, который контролирует скорость хода такого метронома.
Сглаживания
напряжений:
в
источниках
питания,
преобразующих переменный ток в постоянный, практически всегда
используются
конденсаторы,
помогающие
сглаживать
пульсации
напряжения и, таким образом, получать стабильный постоянный
потенциал.
Ограничения
постоянного
тока: при последовательном
соединении конденсатора и источника сигнала, например, микрофона,
конденсатор блокирует постоянный ток, но пропускает переменный. Эта
функция используется почти во всех усилителях.
Подстройки частоты: конденсаторы часто используются для
получения простых фильтров, отсекающих сигналы переменного тока
с частотой ниже или выше некоторого заданного порога. Изменяя величину
емкости конденсатора, можно изменить предельную частоту фильтра.
4 Данное свойство конденсатора основывается на том, что он
представляет
собой
сопротивление,
обратно
пропорционально
зависимое от частоты. Чем выше частота проходящего сигнала, тем меньше
сопротивление конденсатора и наоборот; для постоянного тока частота
изменения сигнала равна 0, потому сопротивление приближается к
бесконечности.
Хотя может показаться, что конденсаторы должны являться весьма
сложными элементами, особенно учитывая, сколько разных функций они
выполняют, это далеко не так. Типичный конденсатор имеет внутри две
металлические
пластины,
между
которыми
обязательно
есть
зазор,
заполненный диэлектрическим материалом - как еще принято называть
изолятор.
Среди диэлектриков, разделяющих пластины конденсаторов, можно
упомянуть пластик, слюду и специальную бумагу. Более подробно о
диэлектриках речь пойдет ниже в этой же главе, в подразделе
Вы, вероятно, уже поняли, что, точно так же, как политики имеют хитрые
отговорки на все обвинения, электроника имеет меры измерения для всех на
свете физических величин. Конденсаторы характеризуются емкостью,
которая, в свою очередь, измеряется в фарадах. Чем больше емкость
конденсатора, тем больше электронов он может накопить за один раз.
Примечательно, что емкость в 1 Ф очень велика, поэтому большинство
конденсаторов маркируются на микрофарады, или миллионные доли фарада.
Нередко встречаются и еще меньшие емкости: нанофарады (миллиардная
доля фарада) и пикофарады миллионная миллионной 1 фарада).
Эти приставки принято сокращать с помощью аббревиатур: микрофарады
до мкФ, нанофарады до нФ, а пикофарады - до пФ. В иностранной
документации микрофарады часто обозначают греческой строчной буквой
Ниже показано несколько примеров обозначения емкостей. Очень
часто за рубежом (особенно на машинных чертежах) греческую заменяют
латинской u: uF для мкФ и т.п.
 Конденсатор 10 мкФ имеет емкость 10 миллионных фарада.
Конденсатор 1 мкФ имеет емкость 1 миллионную фарада.
Конденсатор 100 пФ имеет емкость 100 миллионных от
одной миллионной фарада.
Фраза :
Предположим, что ваша подружка просит вас сделать ей
банановый коктейль. Проблема в том, что у вас совсем нет бананов. Но
есть огурцы, и потому вы импровизируете и преподносите ей огуречный
коктейль собственной рецептуры. Упс! Далеко не равноценная замена, и
вина в том совсем не бедных огурчиков, а целиком ваша.
Аналогично разработчики радиосхем выбирают конденсаторы, исходя из
материалов диэлектриков, которые их составляют. Те или иные материалы
лучше подходят для разных областей использования: как и бананы
оптимально подходят для бананового коктейля.
Наиболее часто в виде диэлектриков используются оксид алюминия, тантал,
керамика, слюда, полипропилен, полиэстер (или майлар®), бумага и,
наконец, полистирен. Если в схеме явно указано, что конденсатор такой-то
должен быть такого-то типа, то необходимо потрудиться и найти требуемый.
В таблице 1 приведен список основных типов конденсаторов и их емкости.
Таблица 1. Характеристики конденсаторов
Тип
Керамический
Слюдяной
Металлизированный
фольговый
Поликарбонатный
Полиэстеровый
Полистиреновый
Бумажный фольговый
Танталовый
Диапазон
емкостей
Применение
1 пФ ... 2,2 Фильтры,
мкФ
1 пФ ... 1 мкФ
до 100 пФ
0,001 ... 100
мкФ
0,001 ... 100
мкФ
10 пФ ... 10
мкФ
0,001 ... 100
мкФ
блокировочные
конденсаторы
Таймеры,
осцилляторы,
схемы
Блокировка
постоянного
тока,
источники питания
Фильтры
Фильтры
Таймеры, схемы подстройки
Общего применения
0,001 ... 1000 Блокировочные,
мкФ
точные
развязывающие
конденсаторы
Алюминиевый
10 ... 220 000 Фильтры,
электролитический
мкФ
блокировочные,
развязывающие конденсаторы
Большие конденсаторы в маленьких корпусах
Изготовление: кондукторов с емкостями порядка фарад стало
возможным только совсем недавно.
Старые методы изготовления не позволяли получить конденсатор с
емкостью, например 1 мкФ, который был бы меньше, чем хлебница.
Однако развитие технологий и создание новых материалов, Таких как
микроскопические углеродные гранулы, дало возможность производителям
элементов изготавливать конденсаторы даже больших емкостей размерами
не больше ладони (существуют конденсаторы очень большой емкости —
ионисторы). Память в компьютерах, радиоприемники с электронными
часами и многие другие электронные устройства нуждаются в источниках
заряда, питающих отдельные узлы в течение длительного времени, когда нет
доступа к обычному источнику питания. Именно конденсаторы и выступают
в роли таких заменителей батареек.
2 Радиотехническое применение конденсаторов
Конденсаторы
Алюминиевые
изготавливаются
бывают
совершенно
электролитические
обычно
различных
и
форм
бумажные
цилиндрической
формы.
(рисунок
4).
конденсаторы
Танталовые,
керамические, слюдяные и полистиреновые - более шаровидной, поскольку
чаще всего их погружают в емкость с жидкой эпоксидной смолой или
пластиком, что и придает им округлые очертания. Однако не все
конденсаторы (особенно слюдяные или майларовые) имеют формы,
соответствующие какому-то определенному типу, поэтому не стоит судить
об их характеристиках только по внешнему виду.
Рисунок 4. Силуэты различных конденсаторов. Конденсаторы имеют такие
разнообразные формы и размеры, как, пожалуй, ни один другой
радиоэлемент
Большинство конденсаторов имеют весьма приблизительные параметры.
Значения емкостей, отпечатанные на элементе, могут довольно значительно
отличаться от реальных. Фактически они могут даже быть совсем разными.
Эти проблемы связаны с технологиями изготовления конденсаторов, а
совсем не с тем, что производители радиоэлементов нарочно хотят досадить
радиолюбителям. К счастью, ошибки в точности емкости редко приводят к
каким-либо негативным последствиям для большинства схем, однако следует
помнить об этом, чтобы, если вдруг потребуется конденсатор высокой
точности, знать, что покупать.
Как и резисторы, конденсаторы специально маркируются согласно их
допускам, и эта маркировка также указывает процент допуска. В
большинстве случаев допуск от номинала указывает одна буква, найти
которую можно напечатанную саму по себе либо после кода, обозначающего
величину
емкости,
например
так:
103Z
Буква Z в данном случае указывает на то, что емкость конденсатора имеет
допуск от +80% до -20%, т.е. реальная емкость этого конденсатора может
отличаться от заявленной 0,01 мкФ на 80 процентов в большую сторону или
на 20 процентов в меньшую. Значения основных букв, показывающих норму
допуска, даны в таблица 2.
Таблица 2 Маркировка допусков емкости конденсаторов
Код Значение допуска емкости
B 0,1 пФ
C
0,25 пФ
D
0,5 пФ
F
1%
G
2%
J
5%
K
10%
M
20%
Z
+ 80...- 20%
Есть еще один нюанс: емкость конденсатора меняется с изменением
температуры, и эту зависимость описывают при помощи так называемого
температурного
коэффициента.
В том случае, если фирма-производитель указывает на корпусе конденсатора
температурный коэффициент, он обозначается в виде трехзначного кода,
например NP0 (в данном случае такое обозначение говорит о том, что
емкость изменяется на 0 процентов как в сторону отрицательных температур
(N
-
negative), так
и
в сторону положительных (Р
-
positive).
Конденсаторы с такой маркировкой очень устойчивы к перепадам
температуры (то есть их емкость практически не меняется во всем диапазоне
допустимых температур.).
Все
большее
число
производителей
радиоэлементов
принимают
на
вооружение систему маркировки EIA (Electronics Industries Association Ассоциация
электронной
промышленности,
которая
объединяет
производителей электронного оборудования с целью разработки единых
электрических
и
функциональных
спецификаций
интерфейсного
оборудования), и в том числе маркировку электронных компонентов
согласно
температурным
параметрам.
Коды этой маркировки можно изучить в
табл.
3. Три символа,
использующиеся при записи кода, указывают допуски емкости в зависимости
от температуры окружающей среды и максимальное отклонение во всем
температурном диапазоне.
К примеру, пусть есть конденсатор с обозначением Y5P. Используя табл. 3,
нетрудно установить, что его температурные характеристики таковы.
-30 °С.
-30...+55
°С): +10%.
Таблица 3. Коды температурной зависимости емкости конденсаторов
согласно системе EIA
1-й
символ
(1-я
буква)
Нижний предел 2-й
допустимых
символ
температур, °С (цифра)
3-й
Верхний предел
символ
допустимых
(2-я
температур, °С
буква)
Максимальное
изменение емкости в
диапазоне допустимых
температур, %
Z
+10
2
+45
A
1,0
Y
-30
4
+65
B
1,5
X
-55
5
+85
C
2,2
6
+105
D
3,3
7
+125
E
4,7
F
7,5
P
10,0
R
15,0
S
22,0
T
+22,0... -33%
U
+22,0... -56%
V
+22,0... -82%
Еще одна, уже последняя, вещь, которую необходимо знать о конденсаторах,
заключается в том, что многие конденсаторы, особенно это касается
танталовых и алюминиевых электролитических, имеют полярность.
По договоренности в большинстве случаев знак минус (-) обозначает
отрицательный вывод такого конденсатора, а знак плюс (+), который,
соответственно, должен обозначать положительный вывод, не указывается.
На рисунке 5, например, показаны несколько полярных электролитических
конденсаторов, на которых отрицательный вывод указан знаком минус и
стрелкой (очень часто отрицательный вывод еще и делают несколько короче
положительного).
Рис. 5. Всегда соблюдайте полярность конденсаторов согласно маркировке
Обратите внимание на то, что полярными являются только конденсаторы
больших емкостей (от 1 мкФ и выше), как правило, электролитические (хотя
и среди них можно найти неполярные - такие часто используются в
стереосистемах).
Конденсаторы
меньших
емкостей
(слюдяные,
керамические, майларовые) не являются полярными, и потому на них нет
специальных пометок.
Внимание
Если конденсатор имеет полярность, то совершенно необходимо
соблюдать ее при установке в схему. Если случайно перепутать местами
выводы конденсатора- например, присоединить его "+" к земле, то можно
запросто вывести конденсатор из строя или повредить другие компоненты
схемы; конденсатор даже может взорваться!
Всегда приятно, если все получается именно так, как вы задумали. Вот
почему полезно иметь под рукой переменные конденсаторы, которые
позволяют изменять емкость, как вам требуется.
Наиболее распространенными типами переменных конденсаторов, с
которыми сталкиваются радиолюбители, являются такие, диэлектриком в
которых служит воздух. Эти конденсаторы часто можно встретить в радио с
амплитудной модуляцией (AM), где они применяются для настройки
требуемой частоты.
Переменные
конденсаторы
небольших
емкостей
довольно
часто
встречаются в радиоприемниках и передатчиках на кварцевых генераторах,
где они служат для точной подстройки опорного сигнала. Значения емкостей
таких конденсаторов обычно лежат в пределах от 5 до 500 пФ.
Лекция закончена, вопросы.
Задание:
1. Конденсаторы и их функции.
2. Единицы измерения. Характеристики конденсаторов.
3. Радиотехническое применение конденсаторов.
4. Маркировка допусков емкости конденсаторов.
Литература
1. Теоретические основы электротехники. Т.1. Основы теории линейных
цепей./Под ред. П.А.Ионкина. Учебник для электротехн. вузов. Изд.2-е ,
перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1976.-544с.
2. Матханов Х.Н. Основы анализа электрических цепей. Линейные цепи.:
Учеб. для электротехн. и радиотехн. спец. 3-е изд. переработ. и доп. –М.:
Высш. шк., 1990. –400с.
3. Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин,
А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. 528с.
Лекция подготовлена на кафедре
Среднего профессионального образования;