Подробни основи за кондензаторите

1.Определение

Кондензаторът е електрически компонент, използван за съхраняване и освобождаване на енергия в електрическо поле. Когато се приложи напрежение към неговите клеми, между проводниците (плочите) се създава електрическо поле, което позволява на кондензатора да съхранява енергия.

 

Единицата за капацитет е фарад (F). В практически приложения по-често се използват по-малки единици като микрофаради (μF), нанофаради (nF) и пикофаради (pF).

 

2. Принцип на работа

Кондензаторът се състои от две проводими пластини, разделени от изолационен материал, наречен диелектрик. Когато се приложи постоянно напрежение върху плочите, електроните се натрупват върху една плоча, придавайки й отрицателен заряд, докато равен брой електрони се отстраняват от противоположната плоча, правейки я положително заредена.

 

Това разделяне на заряда създава електрическо поле в диелектрика. Кондензаторът съхранява енергия в това електрическо поле и запазва заряда, докато е приложено напрежение и не е осигурен път на разреждане. Когато се въведе проводящ път, съхранената енергия се освобождава, когато токът протича през външната верига.

 

3.Капацитет

Капацитетът C на кондензатор зависи от следните фактори:

 

Площ на плочатаA:По-голямата площ на пластината води до по-висок капацитет.

 

Разстояние между плочитеd:По-малкото разстояние между плочите увеличава капацитета.

 

Диелектрична проницаемостε:Видът на диелектричния материал влияе върху капацитета; материали с по-висока диелектрична проницаемост дават по-висок капацитет.

 

Връзката се дава от:

 

 

където:

• Ε е диелектричната проницаемост на диелектричния материал

 

• А е ефективната площ на плочите

 

• d е разстоянието между плочите

 

4. Единица за капацитет

 

Единицата за капацитет е фарад (F). Тъй като фарадът е много голяма единица, повечето практични кондензатори се оценяват в по-малки единици като пикофаради (pF), нанофаради (nF) и микрофаради (μF).

Капацитетът показва колко електрически заряд може да съхранява кондензаторът на единица напрежение. Определя се от връзката:

където:

 

• Q е съхраненият заряд,

 

• C е капацитетът и

 

• V е приложеното напрежение.

 

По този начин по-високият капацитет означава, че може да се съхранява повече заряд при същото напрежение.

 

Важно е да се отбележи, че капацитетът не представлява абсолютен заряден капацитет сам по себе си; по-скоро той описва връзката между заряд и напрежение. За даден капацитет, фиксирано количество заряд съответства на пропорционална промяна в напрежението.

 

Номиналното напрежение на кондензатор се отнася до максималното напрежение, което може безопасно да издържи без повреда. Количеството съхраняван заряд се увеличава както с капацитета, така и с приложеното напрежение.

 

Като цяло, по-големите кондензатори (с по-високи стойности на капацитет) обикновено имат по-големи физически размери и по-високи разходи.

 

5.Класификация на кондензаторите

Поляризирани кондензатори

Поляризираните кондензатори имат ясно дефинирани положителни и отрицателни клеми. Те трябва да бъдат свързани с правилната полярност; в противен случай обратното свързване може да причини прегряване, изтичане или дори разкъсване и експлозия.

 

Течни електролитни кондензатори

Течните електролитни кондензатори са вид поляризирани кондензатори. Те предлагат относително висок капацитет и могат да се справят с по-високи нива на напрежение, но обикновено са с по-големи размери, имат ограничена производителност при високи-честоти и умерен експлоатационен живот.

 

Тези кондензатори се използват широко в захранващите вериги за филтриране и изглаждане на напрежението.

 

Често срещан пример е алуминиевият електролитен кондензатор. Често се инсталира близо до захранващи устройства, за да осигури съхранение на енергия и стабилизиране на напрежението.

 

Електролитни-кондензатори в твърдо състояние

 

Танталовите кондензатори са вид електролитен кондензатор, който използва метален тантал като анод и твърд електролит. Те принадлежат към категорията на твърдотелни-електролитни кондензатори.

 

Те предлагат висок капацитет на единица обем (малък размер), добра стабилност, нисък ток на утечка и надеждна работа в широк температурен диапазон.

Въпреки това, те обикновено имат по-ниско напрежение в сравнение с някои други видове кондензатори и са чувствителни към пренапрежение и обратна полярност.

 

Танталовите кондензатори са поляризирани и трябва да бъдат свързани с правилен поляритет. Те обикновено се използват в ниско{1}}напрежение, компактни електронни устройства за филтриране на електрозахранване, разединяване и аудио приложения.

 

Например, танталовите кондензатори се използват широко в мобилните телефони и често се срещат в компютрите.

 

Не{0}}поляризирани кондензатори

 

Керамични кондензатори

Керамичните кондензатори (известни също като керамични дискови кондензатори) са неполяризирани компоненти, което означава, че нямат положителни или отрицателни клеми и могат да бъдат свързани във всяка посока.

 

Те се характеризират с малки стойности на капацитета, високо напрежение, компактен размер и отлични високи-честотни характеристики. Благодарение на тези свойства, керамичните кондензатори се използват широко в приложения като разделяне, филтриране и свързване на сигнали в електронни схеми.

 

6. РазмериТолерантност

 

Кондензаторите обикновено имат относително широки допустими отклонения в сравнение с други електронни компоненти.

 

За керамичните кондензатори общите степени на толерантност включват:

 

±5% (J)– по-строга толерантност

 

±10% (K)– често използвани

 

±20% (M)– широко използвани

 

+80% / −20% (Z)– много свободна толерантност

 

На практика:

 

кондензатори с ниво на pF-често използвайте ±5% толеранс

 

nF-кондензатори с нивообикновено се използва ±10% толеранс

 

μF-кондензатори с нивообикновено се използва ±20% толеранс

 

Електролитни кондензаториобикновено се оценяват на ±20% или по-широки

 

Високо{0}}прецизните кондензатори се използват по-рядко, тъй като много кондензаторни приложения-като филтриране на захранване и изглаждане на напрежението-не изискват много точни стойности на капацитета. Малките отклонения обикновено имат минимално въздействие върху работата на веригата.

 

Въпреки това, в приложения като радиочестотно съгласуване и филтърни мрежи, може да са необходими по-строги толеранси (напр. ±5%), за да се осигурят стабилни честотни характеристики. Дори в тези случаи изключително високата точност често е ненужна, тъй като стандартните допуски са достатъчни за поддържане на правилна работа.

 

7.Размери на кондензатора

 

За керамични и танталови кондензатори оразмеряването на опаковката следва същия стандарт, използван за резистори. По-малките компоненти за-монтиране на повърхността използват имперски кодове като 0201, 0402, 0603 и 0805, докато по-големите пакети могат също да бъдат изразени в метрични кодове като 2520, 3525 и т.н.

 

За цилиндричните електролитни кондензатори размерите обикновено се определят като диаметър × височина (напр. 6 mm × 11 mm).

 

При проектирането на хардуера обикновено се препоръчва да се запази малко по-голям отпечатък за кондензатори, когато е възможно. Например, ако е разпределен отпечатък 6 × 11 mm, максималната типична спецификация може да бъде около 100 μF, 25 V. Въпреки че е лесно да се замени с по-малък кондензатор за намаляване на разходите, надграждането до значително по-висок капацитет в рамките на същия размер обикновено не е възможно. Например, кондензатор от 470 μF, 25 V обикновено не може да бъде произведен в опаковка 6 × 11 mm.

 

Същото съображение се отнася и за керамичните кондензатори. Например, с пакет 0805, максималната общодостъпна спецификация е около 22 μF, 6,3 V. Кондензатори с по-висок капацитет или по-високо напрежение са трудни за получаване в този размер на пакета.