Основные параметры конденсаторов

Содержание

Шумные конденсаторы

Если вы разрабатываете аудиоустройства или просто предпочитаете тихие печатные платы, то у вас есть еще одна причина выбора C0G по сравнению с X7R или X5R: конденсаторы класса 2 демонстрируют пьезоэлектрическое поведение, которое может заставить их функционировать и как микрофон (который преобразует звук в электрический шум), и как зуммер (который преобразует сигналы переменного тока в звуковой шум). У конденсаторов класса 1 такой проблемы нет.

«Поющий кондесатор»

Я уверен, что вы можете найти гораздо больше информации о типах конденсаторов и диэлектриков от таких производителей как Kemet, AVX и TDK. Если хотите увидеть полную таблицу трехсимвольных кодов, то смотрите следующую статью.

Конденсаторы 2-го класса:

Ключевые особенности конденсаторов это типа:

  • Средняя или низкая точность — по этой причине конденсаторы этого класса в основном используются для фильтрации питания или как накопительные;
  • Деградации со временем — возможно ощутимое изменение параметров с течением времени;
  • Токи утечки — возможно наличие ощутимого значения тока утечки, особенно в сравнении с конденсаторами первого класса;
  • Большая зависимость ёмкости от приложенного напряжения — с увеличением приложенного напряжения (в пределах допустимого) ёмкость может уменьшаться в 2 и более раз!
  • Нелинейный температурный коэффициент — ёмкость этих конденсаторов нелинейно изменяется с изменениями температуры;
  • Высокая диэлектрическая проницаемость — благодаря этому столь малые габаритные размеры (как 0201, 0402, 0603 и т. д.) имеют значения ёмкости не единицы нФ, а сотни нФ.

Такие конденсаторы зачастую применяются как разделительные, фильтрующие или накопительные.

Тип диэлектрика конденсаторов этого класса обозначается тремя символами в следующем порядке (пример обозначения):

Расшифровать ТКЕ можно по следующей таблице:

Более подробное описание можно найти в стандарте EIA-RS-198.

Принцип работы конденсатора

Конструкция

На схемах конденсатор обозначается в виде двух параллельных линий, не связанных между собой:

Это соответствует его простейшей конструкции — двум пластинам (обкладкам), разделенным диэлектриком. Фактическое исполнение этого изделия чаще всего представляет собой завернутые в рулон обкладки с прослойкой диэлектрика или иные причудливые формы, но суть остается той же самой.

Емкость конденсатора

Электрическая ёмкость – способность проводника накапливать электрические заряды. Чем больше заряд вмещает проводник при данной разности потенциалов, тем больше ёмкость. Зависимость между зарядом Q и потенциалом φ выражается формулой:

C=Q/φ

где Q заряд в кулонах (Кл), φ потенциал в вольтах (В).

Емкость измеряется в фарадах (Ф), что вы помните еще с уроков физики. На практике чаще встречаются более мелкие единицы: миллифарад (мФ), микрофарад (мкФ), нанофарад (нФ), пикофарад (пФ).

Накопительная способность зависит от геометрических параметров проводника, диэлектрической проницаемости среды, где он находится. Так, для сферы из проводящего материала она будет выражаться формулой:

C=4πεε0R

где ε0—8,854·10^−12 Ф/м, электрическая постоянная, а ε диэлектрическая проницаемость среды (табличная величина для каждого вещества).

В реальной жизни нам чаще приходится иметь дело не с одним проводником, а с системами таковых. Так, в обычном плоском конденсаторе емкость будет прямо пропорциональна площади пластин и обратно — расстоянию между ними:

C=εε0S/d

ε здесь — диэлектрическая проницаемость прокладки между пластинами.

Емкость параллельных и последовательных систем

Параллельное соединение емкостей представляет собой один большой конденсатор с тем же слоем диэлектрика и суммарной площадью пластин, поэтому общая емкость системы представляет собой сумму таковых у каждого из элементов. Напряжение при параллельном соединении будет одним и тем же, а заряд распределится между элементами схемы.​

C=C1+C2+C3

Последовательное соединение конденсаторов характеризуется общим зарядом и распределенным напряжением между элементами. Поэтому суммируется не емкость, а обратная ей величина:

1/C=1/С1+1/С2+1/С3

Из формулы емкости одиночного конденсатора можно вывести, что при одинаковых элементах, соединенных последовательно, их можно представить в виде одного большого с той же площадью обкладки, но с суммарной толщиной диэлектрика.

Параметры конденсаторов

Эти устройства предназначены для накопления электрического заряда. Емкость измеряется в специальных единицах, именуемых фарадами (Ф, или F). Однако 1 фарад – колоссальная величина, которая не используется в радиотехнике. Для конденсаторов применяется микрофарад (мкФ, µF) – фарад, разделенный на миллион. Единица обозначается как мкФ практически на всех типах конденсаторов. В теоретических расчетах иногда можно увидеть миллифарад (мФ, mF), что равняется фараду, деленному на тысячу. В маленьких конденсаторах применяется нанофарад (нФ, nF) и пикофарад (пФ, pF), что соответственно равняется 10 -9 и 10 -12 фарад

Это обозначение очень важно, так как используется в маркировке либо напрямую, либо с помощью заменяемых значений

Таблица значений фарад

Маркировка конденсаторов с нелинейной зависимостью от температуры

Таблица 4

Группа ТКЕ* Допуск Температура** Буквенный код *** Цвет***
Y5F ±7,5 -30…+85
Y5P ±10 -30…+85 серебряный
Y5R -30…+85 R серый
Y5S ±22 -30…+85 S коричневый
Y5U +22…-56 -30…+85 A
Y5V(2F) +22…-82 -30…+85
X5F ±7,5 -55…+85
Х5Р ±10 -55…+85
X5S ±22 -55…+85
X5U +22…-56 -55…+85 синий
X5V +22…-82 -55..+86
X7R(2R) ±15 -55…+125
Z5F ±7,5 -10…+85 В
Z5P ±10 -10…+85 С
Z5S ±22 -10…+85
Z5U(2E) +22…-56 -10…+85 E
Z5V +22…-82 -10…+85 F зеленый
SL0(GP) +150…-1500 -55…+150 Nil белый

* Обозначение приведено в соответствии со стандартом EIA, в скобках — IEC.

** В зависимости от технологий, которыми обладает фирма, диапазон может быть другим. Например: для группы Y5P нормирует -55…+125 °С.

*** В соответствии с EIA. Некоторые , пользуются другой кодировкой.

Рис. 1

Таблица 5

Метки полосы, кольца, точки 1 2 3 4 5 6
3 метки* 1-я цифра 2-я цифра Множитель
4 метки 1-я цифра 2-я цифра Множитель Допуск
4 метки 1-я цифра 2-я цифра Множитель Напряжение
4 метки 1 и 2-я цифры Множитель Допуск Напряжение
5 меток 1-я цифра 2-я цифра Множитель Допуск Напряжение
5 меток» 1-я цифра 2-я цифра Множитель Допуск ТКЕ
6 меток 1-я цифра 2-я цифра 3-я цифра Множитель Допуск ТКЕ

* Допуск 20%; возможно сочетание двух колец и точки, указывающей на множитель.

** Цвет корпуса указывает на значение рабочего напряжения.

Рис. 2

Таблица 6

Цвет 1-я цифра мкФ 2-я цифра мкФ Множи- тель Напряже- ние
Черный 1 10
Коричневый 1 1 10
Красный 2 2 100
Оранжевый 3 3
Желтый 4 4 6,3
Зеленый 5 5 16
Голубой 6 6 20
Фиолетовый 7 7
Серый 8 8 0,01 25
Белый 9 9 0,1 3
Розовый 35

Рис. 3

Таблица 7

Цвет 1-я цифра пФ 2-я цифра пФ 3-я цифра пФ Множитель Допуск ТКЕ
Серебряный 0,01 10% Y5P
Золотой 0,1 5%
Черный 1 20%* NPO
Коричневый 1 1 1 10 1%** Y56/N33
Красный 2 2 2 100 2% N75
Оранжевый 3 3 3 103 N150
Желтый 4 4 4 104 N220
Зеленый 5 5 5 105 N330
Голубой 6 6 6 106 N470
Фиолетовый 7 7 7 107 N750
Серый 8 8 8 108 30% Y5R
Белый 9 9 9 +80/-20% SL

* Для емкостей меньше 10 пФ допуск ±2,0 пФ. ** Для емкостей меньше 10 пФ допуск±0,1 пФ.

Рис. 4

Таблица 8

Цвет 1-я и 2-я цифра пФ Множитель Допуск Напряжение
Черный 10 1 20% 4
Коричневый 12 10 1% 6,3
Красный 15 100 2% 10
Оранжевый 18 103 0,25 пФ 16
Желтый 22 104 0,5 пФ 40
Зеленый 27 105 5% 20/25
Голубой 33 106 1% 30/32
Фиолетовый 39 107 -2О…+5О%
Серый 47 0,01 -20…+80% 3,2
Белый 56 0,1 10% 63
Серебряный 68 2,5
Золотой 82 5% 1,6

Для маркировки пленочных конденсаторов используют 5 цветных полос или точек. Первые три кодируют значение номинальной емкости, четвертая — допуск, пятая — номинальное рабочее напряжение.

Рис. 5

Таблица 9

Номинальная емкость Допуск Напряжение
0,01 ±10% 250
0,015
0,02
0,03
0,04
0,06
0,10
0,15
0,22
0,33 ±20 400
0,47
0,68
1,0
1,5
2,2
3,3
4,7
6,8
1 полоса 2 полоса 3 полоса 4 полоса 5 полоса

Эксплуатационные характеристики

Помимо указанных выше емкости, собственной индуктивности и энергоемкости, реальные конденсаторы (а не идеальные) обладают еще рядом свойств, которые нужно учитывать при выборе этого элемента для цепи. К ним относятся:

  • номинальное напряжение,
  • полярность,
  • ток утечки,
  • сопротивление материала обкладок,
  • диэлектрические потери,
  • зависимость емкости от температуры.

Чтобы понять, откуда берутся потери, необходимо разъяснить, что представляют собой графики синусоидальных тока и напряжения в этом элементе. Когда конденсатор заряжен максимально, ток в его обкладках равен нулю. Соответственно, когда ток максимален, напряжение отсутствует. То есть напряжение и ток сдвинуты по фазе на угол 90 градусов. В идеале конденсатор обладает только реактивной мощностью:

Q=UIsin 90

В реальности же обкладки конденсатора обладают собственным сопротивлением, а часть энергии расходуется на нагрев диэлектрика, что обуславливает ее потери. Чаще всего они незначительны, но иногда ими пренебрегать нельзя. Основной характеристикой этого явления служит тангенс угла диэлектрических потерь, представляющий собой отношение активной мощности (даваемой малыми потерями в диэлектрике) и реактивной. Измерить эту величину можно теоретически, представив реальную емкость в виде эквивалентной схемы замещения — параллельной или последовательной.

Определение тангенса угла диэлектрических потерь

При параллельном соединении величина потерь определяется отношением токов:

tgδ = Ir/Ic = 1/(ωCR)

В случае последовательного соединения угол вычисляется соотношением напряжений:

tgδ = Ur/Uc = ωCR

В реальности для замеров tgδ пользуются прибором, собранным по мостовой схеме. Его применяют для диагностики потерь в изоляции у высоковольтного оборудования. С помощью измерительных мостов можно измерять и другие параметры сетей.

Номинальное напряжение

Этот параметр указывается на маркировке. Он показывает предельную величину напряжения, которое может быть подано на обкладки. Превышение номинала может привести к пробою конденсатора и выходу его из строя. Зависит этот параметр от свойств диэлектрика и его толщины.

Полярность

Некоторые конденсаторы имеют полярность, то есть в схему его необходимо подключать строго определенным образом. Связано это с тем, что в качестве одной из обкладок используется какой-либо электролит, а диэлектриком служит оксидная пленка на другом электроде. При изменении полярности электролит просто разрушает пленку и конденсатор перестает работать.

Температурный коэффициент емкости

Он выражается отношением ΔC/CΔT где ΔT изменение температуры окружающей среды. Чаще всего эта зависимость линейна и незначительна, но для конденсаторов, работающих в агрессивных условиях, ТКЕ указывается в виде графика.

Разрушение конденсатора

Выход конденсатора из строя обусловлен двумя основными причинами — пробоем и перегревом. И если в случае пробоя некоторые их виды способны к самовосстановлению, то перегрев со временем приводит к разрушению.

Перегрев обусловлен как внешними причинами (нагреванием соседних элементов схемы), так и внутренними, в частности, последовательным эквивалентным сопротивлением обкладок. В электролитических конденсаторах он приводит к испарению электролита, а в оксиднополупроводниковых — к пробою и химической реакции между танталом и оксидом марганца.

Опасность разрушения в том, что часто оно происходит с вероятностью взрыва корпуса.

Микрофонный эффект

Наконец, кристаллическая структура титаната бария придает керамике свою пьезоэлектрическую, или микрофонную, характерную особенность. Когда к диэлектрическому материалу применяются внешние напряжения, молекулы титаната начинают колебаться назад и вперед. Электрические сигналы могут механически деформировать диэлектрик. Эта деформация, или движение, создает характерный «жужжащий» шум, который слышат некоторые пользователи при использовании керамических конденсаторов в своих проектах.

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектричество, также называемое пьезоэлектрическим эффектом, представляет собой способность материала генерировать напряжение и/или электрический сигнал (шум) при воздействии внешнего механического напряжения или вибрации.

По аналогии с термином «микрофонный», многослойные керамические конденсаторы (MLCC), построенные из сегнетоэлектрических материалов, являются по своей природе пьезоэлектрическими и могут преобразовывать внешнее напряжение, подобно тому, как микрофон преобразует звук, в электрический сигнал.

Пьезоэлектрический эффект многослойных керамических конденсаторов (MLCC)

Электрострикция

Электрострикция – это поведение всех диэлектриков, в которых материал испытывает механическую деформацию, или изменение формы, под воздействием электрического поля. Керамические диэлектрики классов II и III производятся с использованием сегнетоэлектрических материалов, которые проявляют большее влияние электрострикционного движения. Вы знаете эти керамические конденсаторы как типы X7R, X5R, Z5V и Y5V.

Когда происходит механическая деформация, результатом может быть звуковое излучение, такое как слышимый гул (т.е. «пение»).

Несколько конденсаторов, установленных на плате близко друг к другу, могут усиливать звук до такой степени, что он станет заметным.

Эффект электрострикции – «поющий» конденсатор

Маркировка SMD конденсаторов

SMD конденсаторы ввиду малых размеров маркируются используется символы и цифры. В зависимости от типа конденсатора (танталовых, электролетических, керамических и т.д.) маркировка осуществляется различными способами.

Маркировка керамических SMD конденсаторов

Код таких конденстаторов состоит их 2 или 3-х символов и цифры. Первый символ (при наличии такового) говорит о производителе

(пример K – Kemet), второй это мантиса, а цифра является показателем степени емкости в пикоФарадах.

Пример

S3 это керамический SMD конденсатор с емкростью 4.7×103 пФ

Символ Мантиса Символ Мантиса Символ Мантиса Символ Мантиса
A 1.0 J 2.2 S 4.7 a 2.5

B
1.1
K
2.4
T
5.1
b
3.5

C
1.2
L
2.7
U
5.6
d
4.0

D
1.3
M
3.0
V
6.2
e
4.5

E
1.5
N
3.3
W
6.8
f
5.0

F
1.6
P
3.6
X
7.5
m
6.0

G
1.8
Q
3.9
Y
8.2
n
7.0

H
2.0
R
4.3
Z
9.1
t
8.0

коденсаторы могут иметь различные типы диэлектриков:

NP0 или C0G диэлектрик иммеет низкую диэлектрическую проницаемость и хорошую температурную стабильность. Z5U и Y5V дижлектрики обладают высокой диэлектрической проницаемостью с помощью чего достигается большая емкость конденсаторов и больший разброс параметров. X7R и Z5U широко используются в цепях общего назначения.

Диэлектрики обозначаются тремя симоволами, первые два это температурные пределы а третий это изменение емкости в % в данном интревале температур.

Пример

Z5U – точность +22, -56% в диапазоне температур от -55oC до -125oC до 

Температурный диапазон Изменение емкости
Первый символ Нижний предел Второй символ Верхний предел Третий символ Точность
X +10oC 2 +45oC A 1.0%
Y -30oC 4 +65oC B 1.5%
Z -55oC 5 +85oC C 2.2%
    6 +105oC D 3.3%
    7 +125oC E 4.7%
    8 +150oC F 7.5%
    9 +200oC P 10%
        R 15%
        S 22%
        T +22%,-33%
        U +22%,-56%
        V +22%,-82%

Маркировка электролитических SMD конденсаторов

 Для маркировки таких конденсаторов также используется символьно – цифровая маркировка в которую добавляется рабочее напряжение. Обозгачение состоит из 1-го символа и 3-х цифр. Символ означает рабочее напряжение

Пример 

A475  А – это рабочее напряжение, 47-значение , 5-мантиса. 

A475 = 47×105 пФ=4,7×106 пФ=4,7мФ 10В.

  • e-2.5В;
  • G-4В;
  • J-6.3В;
  • A-10В;
  • C-16В;
  • D-20В;
  • E-25В;
  • V-35В;
  • H-50В.

Существует также и другая маркировка используемые такими широко известными фирмами как Panasonic, Hitach и другие. Кодировние осуществляется 3-мя основными способами кодирования

Первый способ:

Маркировка осуществлется при помощи 3-х символов, первый это рабочее напряжение, второй это значение емкость третий это множитель. Если указаны только два символа то это означает что не указано рабочее напряжение (3-й символ).

Код Емкость Напряжение Код Емкость Напряжение
A6 1.0 16/35 ES6 4,7 25
A7 10 4 EW5 0,68 25
AA7 10 10 GA7 10 4
AE7 15 10 GE7 15 4
AJ6 2,2 10 GJ7 22 4
AJ7 22 10 GN7 33 4
AN6 3,3 10 GS6 4,7 4
AN7 33 10 GS7 47 4
AS6 4,7 10 GW6 6,8 4
AW6 6,8 10 GW7 68 4
CA7 10 16 J6 2,2 6.3/7/20
CE7 15 16 JE7 15 6.3/7
CJ6 4,7 10 GW6 6,8 4
CN6 3,3 16 JN6 3,3 6,3/7
CS6 4,7 16 JN7 33 6,3/7
CW6 6,8 16 JS6 4,7 6,3/7
DA6 1,0 10 JS7 47 6,3/7
DA7 10 20 JW6 6,8 6,3/7
DE6 1,5 20 N5 0,33 35
DJ6 2,2 20 N6 3,3 4/16
DN6 3,3 20 S5 0,47 25/35
DS6 4,7 20 VA6 1,0 35
DW6 6,8 20 VE6 1,5 35
E6 1,5 10/25 VJ6 2,2 35
EA6 1,0 25 VN6 3,3 35
EE6 1,5 25 VS5 0,47 35
EJ6 2,2 25 VW5 0,68 35
EN6 3,3 25 W5 0,68 20/35

Второй способ:

Маркировка четырмя символами (буквами и цифрами), которые обозначают номинальную емкость  и рабочее напряжение. Первый символ (буква) означает рабочее напряжение, следующие за ним 2 символа (цифры) означают емкость в пф, а последний символ(цифра) это количество нулей. Такая маркировка конденсаторов имеет 2 варианта:

  • две цифры означают номинал в пф, а третья – количество нулей;
  • номинал емкости указан в микрофорадах, а знак p выступает в роли десятичной запятой.

Третий способ:

Если размер корпуса большой то маркировка может располагатся в 2 строки, на первой указывается емкость, а на второй рабочее напряжение конденсатора. Если 2 цифры то емкость в микрофарадах если 3 то первые две это емкость в пикофарадах а третья это количество нулей (второй способ). Пример маркировки приведен на рисунке ниже.

Маркировка танталовых smd конденсаторов

Размером A и B

Маркировка рабочего напряжения осуществляется при помощи буквы, которая соответсвует определенному значению напряжения в В. 

Символ G J A C D E V T
Напряжение, В 4 6,3 10 16 20 25 35 50

Далее за символом (буквой) следует обозначение емкости которое состоит из 3-х цифр, первые 2 это емкость в пикофарадах а третья это количество нулей.

Пример:

маркировка E105 означает 10 00000 пФ и рабочем напряжением 25 В.

Если танталовые конденсаторы размером C,D,E то они маркируются прямой записью.

Пример:

маркировка 46 6V означает 47 мкФ и рабочим напряжением в 6 В.

  • < Назад
  • Вперёд >

Техническое исполнение конденсаторов

Классифицировать конденсаторы можно по нескольким группам. Так, в зависимости от возможности регулировать емкость их разделяют на постоянные, переменные и подстроечные. По своей форме они могут быть цилиндрическими, сферическими и плоскими. Можно делить их по назначению. Но самой распространенной классификацией является таковая по типу диэлектрика.

Бумажные конденсаторы

В качестве диэлектрика используется бумага, очень часто промасленная. Как правило, такие конденсаторы отличает большой размер, но были варианты и в небольшом исполнении, без промасливания. Используются в качестве стабилизирующих и накопительных устройств, а из бытовой электроники постепенно вытесняются более современными пленочными моделями.

При отсутствии промасливания имеют существенный недостаток — реагируют на влажность воздуха даже при герметичной упаковке. Промокшая бумага увеличивает энергопотери.

Диэлектрик в виде органических пленок

Пленки могут быть выполнены из органических полимеров, таких как:

  • полиэтилентерифталат,
  • полиамид,
  • поликарбонат,
  • полисульфон,
  • полипропилен,
  • полистирол,
  • фторопласт (политетрафторэтилен).

По сравнению с предыдущими, такие конденсаторы имеют более компактные размеры, не увеличивают диэлектрические потери при увеличении влажности, но многие из них подвергаются риску выхода из строя при перегреве, а те, что этого недостатка лишены, отличаются более высокой стоимостью.

Твердый неорганический диэлектрик

Это может быть слюда, стекло и керамика.

Преимуществом этих конденсаторов считается их стабильность и линейность зависимости емкости от температуры, приложенного напряжения, а у некоторых — даже от радиации. Но иногда сама такая зависимость становится проблемой, и чем она менее выражена, тем дороже изделие.

Оксидный диэлектрик

С ним выпускаются алюминиевые, твердотельные и танталовые конденсаторы. Они имеют полярность, поэтому выходят из строя при неправильном подключении и превышении номинала напряжения. Но при этом они обладают хорошей емкостью, компактны и стабильны в работе. При правильной эксплуатации могут работать около 50 тыс. часов.

Вакуум

Такие устройства представляют собой стеклянную или керамическую колбу с двумя электродами, откуда выкачан воздух. В них практически отсутствуют потери, но малая емкость и хрупкость ограничивают сферу их применения радиостанциями, где величина емкости не так важна, а вот устойчивость к нагреву имеет принципиальное значение.

Двойной электрический слой

Если посмотреть, для чего нужен конденсатор, то можно понять, что этот тип — не совсем он. Скорее, это дополнительный или резервный источник питания, в качестве чего они и используются. Одни категория таких устройств — ионисторы — содержат в себе активированный уголь и слой электролита, другие работают на ионах лития. Емкость этих приборов может составлять до сотен фарад. К их недостаткам можно отнести высокую стоимость и активное сопротивление с токами утечки.

Реальные параметры конденсатора

Думаю, все вы в курсе, что в нашем бесшабашном мире нет ничего идеального. То же самое касается и электроники. Радиоэлементы, каскады, радиоузлы также частенько дают сбои. Можно даже вспомнить недавнюю историю с космическим кораблем “Прогресс”. Сбой какого-то узла повлек гибель целого гиганта космической отрасли. Даже простой, на первый взгляд, радиоэлемент конденсатор, имеет в своем составе не только емкость, но и другие паразитные параметры. Давайте рассмотрим схему, из чего все-таки состоит наш реальный конденсатор?

где

r – это сопротивление диэлектрика  и корпуса между обкладками конденсатора

С – собственно сама емкость конденсатора

ESR – эквивалентное последовательное сопротивление

ESI (чаще его называют ESL)  – эквивалентная последовательная индуктивность

Вот на самом деле из чего состоит простой безобидный конденсатор, особенно электролитический. Рассмотрим эти параметры более подробно:

r – сопротивление диэлектрика. Диэлектриком может быть электролит в электролитических конденсаторах, бумага или еще какая-нибудь дрянь). Также между выводами конденсатора находится его корпус. Он тоже обладает каким-то сопротивлением и тоже сделан из диэлектрика и относится сюда же.

С – емкость конденсатора, которая написана на самом конденсаторе плюс-минус некоторые отклонения, связанные с погрешностью.

ESI(ESL) – последовательная индуктивность – это собственная индуктивность обкладок и выводов. На низких частотах можно не учитывать. Почему? Читаем статью катушка индуктивности в цепи постоянного и переменного тока.

Физические размеры конденсатора

Для большинства применений в электронике минимальный размер является целью для разработки компонентов. Чем меньшие по размеру компоненты можно изготовить, тем большая схема может быть встроена в меньший корпус, при этом, как правило, также уменьшается вес. В случае конденсаторов существуют два основных ограничивающих фактора для минимального размера устройства: рабочее напряжение и емкость. И эти два фактора, как правило, противоречат друг другу. Для любого конкретного выбранного диэлектрического материала единственный способ увеличить номинальное напряжение конденсатора – это увеличить толщину диэлектрика. Однако, как мы видели, это приводит к уменьшению емкости. Емкость можно восстановить, увеличив площадь пластины, но это делает компонент больше. Вот почему вы не можете судить о емкости конденсатора в фарадах просто по размеру. Конденсатор любого заданного размера может быть относительно высоким по емкости и с низким рабочим напряжением, или наоборот, или иметь некоторый компромисс между двумя этими крайностями. Посмотрим для примера следующие две фотографии:

Рисунок 3 – Масляный конденсатор высокого напряжения

Это довольно большой конденсатор по физическим размерам, но он имеет довольно низкое значение емкости: всего 2 мкФ. Тем не менее, его рабочее напряжение довольно высокое: 2000 вольт! Если бы этот конденсатор был перепроектирован так, чтобы между его пластинами был более тонкий слой диэлектрика, то могло бы быть достигнуто, по крайней мере, стократное увеличение емкости, но за счет значительного снижения его рабочего напряжения. Сравните приведенную выше фотографию с приведенной ниже. Конденсатор, показанный на нижнем рисунке, представляет собой электролитический компонент, по размерам подобный приведенному выше, но с очень отличающимися значениями емкости и рабочего напряжения:

Рисунок 4 – Электролитический конденсатор

Более тонкий слой диэлектрика дает ему гораздо большую емкость (20000 мкФ) и резко снижает рабочее напряжение (постоянное напряжение 35 В, напряжение 45 В в пике).

Вот некоторые образцы конденсаторов разных типов, все по размеру меньше, чем показанные ранее:

Рисунок 5 – Керамические конденсаторыРисунок 6 – Пленочные конденсаторыРисунок 7 – Электролитические конденсаторыРисунок 8 – Танталовые конденсаторы

Электролитические и танталовые конденсаторы являются полярными (чувствительны к полярности) и всегда помечаются как таковые. У электролитических конденсаторов отрицательные (-) выводы отмечаются стрелками на корпусе. У некоторых полярных конденсаторов полярность обозначена на положительном выводе. У большого электролитического конденсатора на 20 000 мкФ, показанного выше, положительный (+) вывод помечен знаком «плюс». Керамические, майларовые, пленочные и воздушные конденсаторы не имеют маркировки полярности, потому что эти типы являются неполярными (они не чувствительны к полярности).

Конденсаторы являются очень распространенными компонентами в электронных схемах. Внимательно посмотрите на следующую фотографию – каждый компонент, обозначенный на печатной плате буквой «С», является конденсатором:

Рисунок 9 – Конденсаторы на сетевой карте

Некоторые конденсаторы на плате – это стандартные электролитические конденсаторы: C30 (верхняя часть платы, в центре) и C36 (левая сторона, 1/3 от вершины). Некоторые другие представляют собой особый вид электролитических конденсаторов, называемый танталовым, потому что именно этот тип металла используется для изготовления пластин. Танталовые конденсаторы имеют относительно высокую емкость для своих физических размеров. На плате, показанной выше, танталовые конденсаторы: C14 (чуть ниже слева от C30), C19 (непосредственно под R10, который ниже C30), C24 (нижний левый угол платы) и C22 (внизу справа).

Примеры еще меньших по размеру конденсаторов можно увидеть на этой фотографии:

Рисунок 10 – Конденсаторы на жестком диске

Конденсаторы на этой печатной плате из соображений экономии места являются «устройствами поверхностного монтажа», как и все резисторы. В соответствии с соглашением о маркировке компонентов конденсаторы могут быть идентифицированы по меткам, начинающимся с буквы «C».

Основные параметры

Главные параметры конденсаторов, которые используются при проектировании и ремонте устройств радиоэлектроники, – это емкость и номинальное напряжение. Кроме этого, существует еще несколько дополнительных параметров, которые могут влиять на элементы схемы. Конденсаторы имеют следующие основные характеристики.

Ёмкость

Это самый основной параметр, который характеризует накопление электрического заряда. Расчет значения производится по различным формулам, в зависимости от конструкционных особенностей: плоский, цилиндрический или круглый конденсатор. На практике большая их часть выпускается как разновидности плоского. Емкость современных устройств варьируется от единиц пикофарад до десятков тысяч микрофарад и даже единиц фарад.

Удельная ёмкость

Этот относительный параметр привязывает габариты к величине емкости. Таким образом, чем выше удельная емкость, тем меньше габариты конструкции, однако при этом может упасть электрическая прочность (рабочее напряжение).

Плотность энергии

Данный параметр важен при использовании конденсаторов в качестве накопителей энергии, определяет величину энергии на единицу массы или объема элемента.

Номинальное напряжение

Значение напряжения, при котором сохраняются рабочие параметры в течение срока службы, называется номинальным. Рабочее напряжение должно быть меньше номинального.

Важно! Превышение номинального напряжения чревато выходом элемента из строя. Электролитический конденсатор при этом может разрушиться со взрывом. Вопреки распространенному мнению, элемент, включенный в цепь с напряжением, в несколько раз меньше номинального, сохраняет все остальные параметры

Вопреки распространенному мнению, элемент, включенный в цепь с напряжением, в несколько раз меньше номинального, сохраняет все остальные параметры.

Полярность

Такие виды конденсаторов, как электролитические, зачастую требуют включения в цепь с соблюдением полярности. Поскольку такие элементы используются, в основном, как накопители или фильтры, это не составляет затруднений. Несоблюдение полярности приводит к:

  • несоответствию емкости;
  • повреждению.

Маркировка обязательно содержит информацию о полярности подключения.

Опасность разрушения (взрыва)

Разрушение со взрывом характерно для электролитических конденсаторов. Причиной взрыва является нагрев, который возникает из-за:

  • несоблюдения полярности;
  • расположения рядом с источниками тепла;
  • старения (увеличения утечки и повышения эквивалентного сопротивления).

Для уменьшения последствий разрушения на корпусе в торце ставят предохранительный клапан или формируют насечки на крышке. Такая конструкция гарантирует, что при резком увеличении давления внутри корпуса скопившиеся газы и электролит выделяются через клапан или разрушенную по насечкам крышку. Таким образом, предотвращается взрыв, при котором обкладки и электролит разбрасываются по большой площади и вызывают замыкание элементов плат. Охлаждение устройства снижает вероятность разрушения.

Последствия разрушения

Конденсаторы с нелинейной зависимостью от температуры

Таблица 4

Группа ТКЕ* Допуск Температура** Буквенныйкод *** Цвет***
Y5F ±7,5 -30…+85
Y5P ±10 -30…+85 серебряный
Y5R -30…+85 R серый
Y5S ±22 -30…+85 S коричневый
Y5U +22…-56 -30…+85 A
Y5V(2F) +22…-82 -30…+85
X5F ±7,5 -55…+85
Х5Р ±10 -55…+85
X5S ±22 -55…+85
X5U +22…-56 -55…+85 синий
X5V +22…-82 -55..+86
X7R(2R) ±15 -55…+125
Z5F ±7,5 -10…+85 В
Z5P ±10 -10…+85 С
Z5S ±22 -10…+85
Z5U(2E) +22…-56 -10…+85 E
Z5V +22…-82 -10…+85 F зеленый
SL0(GP) +150…-1500 -55…+150 Nil белый

* Обозначение приведено в соответствии со стандартом EIA, в скобках — IEC.

** В зависимости от технологий, которыми обладает фирма, диапазон может быть другим. Например: фирма «Philips» для группы Y5P нормирует -55…+125 °С.

*** В соответствии с EIA. Некоторые фирмы, например «Panasonic», пользуются другой кодировкой.

Таблица 5

Меткиполосы, кольца, точки 1 2 3 4 5 6
3 метки* 1-я цифра 2-я цифра Множитель
4 метки 1-я цифра 2-я цифра Множитель Допуск
4 метки 1-я цифра 2-я цифра Множитель Напряжение
4 метки 1 и 2-я цифры Множитель Допуск Напряжение
5 меток 1-я цифра 2-я цифра Множитель Допуск Напряжение
5 меток» 1-я цифра 2-я цифра Множитель Допуск ТКЕ
6 меток 1-я цифра 2-я цифра 3-я цифра Множитель Допуск ТКЕ

* Допуск 20%; возможно сочетание двух колец и точки, указывающей на множитель.

** Цвет корпуса указывает на значение рабочего напряжения.

Таблица 6

Таблица 7

Цвет 1-я цифрапФ 2-я цифрапФ 3-я цифрапФ Множитель Допуск ТКЕ
Серебряный 0,01 10% Y5P
Золотой 0,1 5%
Черный 1 20%* NPO
Коричневый 1 1 1 10 1%** Y56/N33
Красный 2 2 2 100 2% N75
Оранжевый 3 3 3 10 3 N150
Желтый 4 4 4 10 4 N220
Зеленый 5 5 5 10 5 N330
Голубой 6 6 6 10 6 N470
Фиолетовый 7 7 7 10 7 N750
Серый 8 8 8 10 8 30% Y5R
Белый 9 9 9 +80/-20% SL

* Для емкостей меньше 10 пФ допуск ±2,0 пФ.** Для емкостей меньше 10 пФ допуск±0,1 пФ.

Таблица 8

Цвет 1-я и 2-я цифра пФ Множитель Допуск Напряжение
Черный 10 1 20% 4
Коричневый 12 10 1% 6,3
Красный 15 100 2% 10
Оранжевый 18 10 3 0,25 пФ 16
Желтый 22 10 4 0,5 пФ 40
Зеленый 27 10 5 5% 20/25
Голубой 33 10 6 1% 30/32
Фиолетовый 39 10 7 -2О…+5О%
Серый 47 0,01 -20…+80% 3,2
Белый 56 0,1 10% 63
Серебряный 68 2,5
Золотой 82 5% 1,6

Для маркировки пленочных конденсаторов используют 5 цветных полос или точек. Первые три кодируют значение номинальной емкости, четвертая — допуск, пятая — номинальное рабочее напряжение.

Таблица 9

Номинальная емкость Допуск Напряжение
0,01 ±10% 250
0,015
0,02
0,03
0,04
0,06
0,10
0,15
0,22
0,33 ±20 400
0,47
0,68
1,0
1,5
2,2
3,3
4,7
6,8
1 полоса 2 полоса 3 полоса 4 полоса 5 полоса