Перечислите основные применения конденсаторов кратко

Обновлено: 02.07.2024

Конденсатор — это электрический (электронный) компонент, состоящий из двух проводников (обкладок), разделенных между собой слоем диэлектрика. Существует много видов конденсаторов. В основном они делятся по материалу из которого изготовлены обкладки и по типу используемого диэлектрика между ними.

Виды конденсаторов

Бумажные и металлобумажные конденсаторы

У бумажного конденсатора диэлектриком, разделяющим фольгированные обкладки, является специальная конденсаторная бумага. В электронике бумажные конденсаторы могут применяться как в цепях низкой частоты, так и в высокочастотных цепях.

Хорошим качеством электрической изоляции и повышенной удельной емкостью обладают герметичные металлобумажные конденсаторы, у которых вместо фольги (как в бумажных конденсаторах) используется вакуумное напыление металла на бумажный диэлектрик.

Бумажный конденсатор не имеет большую механическую прочность, поэтому его начинку помещают в металлический корпус, служащий механической основой его конструкции.

Электролитические конденсаторы

В электролитических конденсаторах, в отличии от бумажных, диэлектриком является тонкий слой оксида металла, образованный электрохимическим способом на положительной обложке из того же металла.

Но, на самом деле, к электролитическим также относятся и танталовые конденсаторы с твердым электролитом (реже встречаются с жидким электролитом). Почти все электролитические конденсаторы поляризованы, и поэтому они могут работать только в цепях с постоянным напряжением с соблюдением полярности.

В случае инверсии полярности, может произойти необратимая химическая реакция внутри конденсатора, ведущая к разрушению конденсатора, вплоть до его взрыва по причине выделяемого внутри него газа.

К электролитическим конденсаторам так же относится, так называемые, суперконденсаторы (ионисторы) обладающие электроемкостью, доходящей порой до нескольких тысяч Фарад.

Алюминиевые электролитические конденсаторы

В качестве положительного электрода используется алюминий. Диэлектрик представляет собой тонкий слой триоксида алюминия (Al₂O₃),

работают корректно только на малых частотах;
имеют большую емкость.

Характеризуются высоким соотношением емкости к размеру: электролитические конденсаторы обычно имеют большие размеры, но конденсаторы другого типа, одинаковой емкости и напряжением пробоя были бы гораздо больше по размеру.

Характеризуются высокими токами утечки, имеют умеренно низкое сопротивление и индуктивность.

Танталовые электролитические конденсаторы

Это вид электролитического конденсатора, в котором металлический электрод выполнен из тантала, а диэлектрический слой образован из пентаоксида тантала (Ta₂O₅).

высокая устойчивость к внешнему воздействию;
компактный размер: для небольших (от нескольких сотен микрофарад), размер сопоставим или меньше, чем у алюминиевых конденсаторов с таким же максимальным напряжением пробоя;
меньший ток утечки по сравнению с алюминиевыми конденсаторами.

Полимерные конденсаторы

В отличие от обычных электролитических конденсаторов, современные твердотельные конденсаторы вместо оксидной пленки, используемой в качестве разделителя обкладок, имеют диэлектрик из полимера. Такой вид конденсатора не подвержен раздуванию и утечке заряда.

Физические свойства полимера способствуют тому, что такие конденсаторы отличаются большим импульсным током, низким эквивалентным сопротивлением и стабильным температурным коэффициентом даже при низких температурах.

Полимерные конденсаторы могут заменять электролитические или танталовые конденсаторы во многих схемах, например, в фильтрах для импульсных блоков питания, или в преобразователях DC-DC.

Пленочные конденсаторы

В данном виде конденсатора диэлектриком является пленка из пластика, например, полиэстер (KT, MKT, MFT), полипропилен (KP, MKP, MFP) или поликарбонат (KC, MKC).

Электроды могут быть напыленными на эту пленку (MKT, MKP, MKC) или изготовлены в виде отдельной металлической фольги, сматывающейся в рулон или спрессованной вместе с пленкой диэлектрика (KT, KP, KC). Современным материалом для пленки конденсаторов является полифениленсульфид (PPS).

Общие свойства пленочных конденсаторов (для всех видов диэлектриков):

работают исправно при большом токе;
имеют высокую прочность на растяжение;
имеют относительно небольшую емкость;
минимальный ток утечки;
используется в резонансных цепях и в RC-снабберах.

Отдельные виды пленки отличаются:

температурными свойствами (в том числе со знаком температурного коэффициента емкости, который является отрицательным для полипропилена и полистирола, и положительным для полиэстера и поликарбоната)
максимальной рабочей температурой (от 125 °C, для полиэстера и поликарбоната, до 100 °C для полипропилена и 70 °С для полистирола)
устойчивостью к электрическому пробою, и следовательно максимальным напряжением, которое можно приложить к определенной толщине пленки без пробоя.

Конденсаторы керамические

Этот вид конденсаторов изготавливают в виде одной пластины или пачки пластин из специального керамического материала. Металлические электроды напыляют на пластины и соединяют с выводами конденсатора. Используемые керамические материалы могут иметь очень разные свойства.

Разнообразие включает в себя, прежде всего, широкий диапазон значений относительной электрической проницаемости (до десятков тысяч) и такая величина имеется только у керамических материалов.

Столь высокое значение проницаемости позволяет производить керамические конденсаторы (многослойные) небольших размеров, емкость которых может конкурировать с емкостью электролитических конденсаторов, и при этом работающих с любой поляризацией и характеризующихся меньшими утечками.

Керамические материалы характеризуются сложной и нелинейной зависимостью параметров от температуры, частоты, напряжения. В виду малого размера корпуса — данный вид конденсаторов имеет особую маркировку.

Конденсаторы с воздушным диэлектриком

Здесь диэлектриком является воздух. Такие конденсаторы отлично работают на высоких частотах, и часто выполняются как конденсаторы переменной емкости (для настройки).

Одним из видов электротехнических деталей является конденсатор. Он находит применение во многих электрических и практически во всех радиоэлектронных схемах. Кратко рассмотрим различные виды конденсаторов и их применение в технике.

Работа конденсатора

Из курса физики в 10 классе известно, что как электрическое устройство конденсатор способен накапливать некоторый заряд и потом отдавать его. При накоплении заряда через конденсатор проходит ток, и на нём растет напряжение. Когда оно сравняется с внешним напряжением, ток через конденсатор прекратится. Для дальнейшей зарядки внешнее напряжение необходимо увеличить.

Если внешнее напряжение уменьшить, конденсатор сможет отдавать накопленный заряд, при этом ток через него будет протекать в обратном направлении, а напряжение — уменьшаться.

Если приложить к конденсатору переменное напряжение, ток через конденсатор будет проходить постоянно, то заряжая, то разряжая его, хотя конденсатор фактически является разрывом цепи и не проводит постоянный ток.

Все эти особенности предопределили сферы применения конденсаторов.

Сферы применения конденсаторов и их виды

Способность накапливать и очень быстро отдавать заряд находит применение там, где требуются редкие, но мощные импульсы тока. Примеры таких устройств — лампы-вспышки и электрические разрядники.

Рис. 1. Электролитические конденсаторы большой емкости.

Конденсаторы емкостей от микрофарада и менее применяются в радиоэлектронных устройствах. Здесь используются их разделительные и резонансные свойства.

Разделительные конденсаторы используются там, где надо отделять переменную и постоянную составляющие сигнала. Резонансные свойства используются в контурах и фильтрах совместно с индуктивными элементами для выделения сигналов определенной частоты. Кроме того, при заряде конденсатора напряжение на нем возрастает не сразу, а значит, конденсаторы могут использоваться в линиях задержки.

Рис. 2. Переменный конденсатор с воздушным диэлектриком.

Наконец, способность конденсатора хранить заряд широко используется для запоминающих устройств в компьютерах.

Такие конденсаторы имеются внутри интегральных микросхем памяти, имеют емкость $\thicksim 5…50×10^$ Ф (в зависимости от технологии) и очень малые размеры, что позволяет иметь в микросхемах сотни миллионов таких запоминающих ячеек.

Рис. 3. Интегральный конденсатор в микросхеме.

Что мы узнали?

Конденсаторы большой емкости применяются там, где необходимо быстро отдавать заряд: во вспышках, разрядниках, блоках питания. В радиоэлектронных устройствах используются резонансные и разделительные свойства конденсаторов средних и малых емкостей. Интегральные конденсаторы используются в микросхемах памяти компьютеров.

Элементная база для конструирования электронных устройств усложняется. Приборы объединяются в интегральные схемы с заданным функционалом и программным управлением. Но в основе разработок — базовые приборы: конденсаторы, резисторы, диоды и транзисторы.

Что такое конденсатор

Прибор, который накапливает электроэнергию в виде электрических зарядов, называется конденсатором.

Количество электричества или электрический заряд в физике измеряют в кулонах (Кл). Электрическую ёмкость считают в фарадах (Ф).

Уединенный проводник электроёмкостью в 1 фараду — металлический шар с радиусом, равным 13 радиусам Солнца. Поэтому конденсатор включает в себя минимум 2 проводника, которые разделяет диэлектрик. В простых конструкциях прибора — бумага.

Работа конденсатора в цепи постоянного тока осуществляется при включении и выключении питания.Только в переходные моменты меняется потенциал на обкладках.

Конденсатор в цепи переменного тока перезаряжается с частотой, равной частоте напряжения источника питания. В результате непрерывных зарядов и разрядов ток проходит через элемент. Выше частота — быстрее перезаряжается прибор.

Сопротивление цепи с конденсатором зависит от частоты тока. При нулевой частоте постоянного тока величина сопротивления стремится к бесконечности. С увеличением частоты переменного тока сопротивление уменьшается.

Где применяются конденсаторы

Работа электронных, радиотехнических и электрических устройств невозможна без конденсаторов.

В электротехнике их используют для сдвига фаз при запуске асинхронных двигателей. Без сдвига фаз трехфазный асинхронный двигатель в переменной однофазной сети не функционирует.

Конденсаторы с ёмкостью в несколько фарад — ионисторы, используются в электромобилях, как источники питания двигателя.

Для понимания, зачем нужен конденсатор, нужно знать, что 10-12% измерительных устройств работают по принципу изменения электрической ёмкости при изменении параметров внешней среды. Реакция ёмкости специальных приборов используется для:

регистрации слабых перемещений через увеличение или уменьшение расстояния между обкладками;
определения влажности с помощью фиксирования изменений сопротивления диэлектрика;
измерения уровня жидкости, которая меняет ёмкость элемента при заполнении.

Трудно представить, как конструируют автоматику и релейную защиту без конденсаторов. Некоторые логики защит учитывают кратность перезаряда прибора.

Ёмкостные элементы используются в схемах устройств мобильной связи, радио и телевизионной техники. Конденсаторы применяют в:

усилителях высоких и низких частот;
блоках питания;
частотных фильтрах;
усилителях звука;
процессорах и других микросхемах.

Легко найти ответ на вопрос, для чего нужен конденсатор, если посмотреть на электрические схемы электронных устройств.

Принцип работы конденсатора

В цепи постоянного тока положительные заряды собираются на одной пластине, отрицательные — на другой. За счет взаимного притяжения частицы удерживаются в приборе, а диэлектрик между ними не дает соединиться. Тоньше диэлектрик — крепче связаны заряды.

Конденсатор берет нужное для заполнения ёмкости количество электричества, и ток прекращается.

При постоянном напряжении в цепи элемент удерживает заряд до выключения питания. После чего разряжается через нагрузки в цепи.

Переменный ток через конденсатор движется иначе. Первая ¼ периода колебания — момент заряда прибора. Амплитуда зарядного тока уменьшается по экспоненте, и к концу четверти снижается до нуля. ЭДС в этот момент достигает амплитуды.

Во второй ¼ периода ЭДС падает, и элемент начинает разряжаться. Снижение ЭДС вначале небольшое и ток разряда, соответственно, тоже. Он нарастает по той же экспоненциальной зависимости. К концу периода ЭДС равна нулю, ток — амплитудному значению.

В третьей ¼ периода колебания ЭДС меняет направление, переходит через нуль и увеличивается. Знак заряда на обкладках изменяется на противоположный. Ток уменьшается по величине и сохраняет направление. В этот момент электрический ток опережает по фазе напряжение на 90°.

В катушках индуктивности происходит наоборот: напряжение опережает ток. Это свойство стоит на первом месте при выборе, какие цепи использовать в схеме: RC или RL.

В завершении цикла при последней ¼ колебания ЭДС падает до нуля, а ток достигает амплитудного значения.

Это теоретическое описание процессов. Чтобы понять, как работает элемент в цепи непосредственно в устройстве, рассчитывают индуктивное и емкостное сопротивление цепи, параметры остальных участников, и учитывают влияние внешней среды.

Основные характеристики и свойства

К параметрам конденсатора, которые используют для создания и ремонта электронных устройств, относят:

Ёмкость — С. Определяет количество заряда, которое удерживает прибор. На корпусе указывается значение номинальной ёмкости. Для создания требуемых значений элементы включают в цепь параллельно или последовательно. Эксплуатационные величины не совпадают с расчетными.
Резонансная частота — fр. Если частота тока больше резонансной, то проявляются индуктивные свойства элемента. Это затрудняет работу. Чтобы обеспечить расчетную мощность в цепи, конденсатор разумно использовать на частотах меньше резонансных значений.
Номинальное напряжение — Uн. Для предупреждения пробоя элемента рабочее напряжение устанавливают меньше номинального. Параметр указывается на корпусе конденсатора.
Полярность. При неверном подключении произойдет пробой и выход из строя.
Электрическое сопротивление изоляции — Rd. Определяет ток утечки прибора. В устройствах детали располагаются близко друг к другу. При высоком токе утечки возможны паразитные связи в цепях. Это приводит к неисправностям. Ток утечки ухудшает емкостные свойства элемента.
Температурный коэффициент — TKE. Значение определяет, как ёмкость прибора меняется при колебаниях температуры среды. Параметр используют, когда разрабатывают устройства для эксплуатации в тяжелых климатических условиях.
Паразитный пьезоэффект. Некоторые типы конденсаторов при деформации создают шумы в устройствах.

Виды и типы конденсаторов

Емкостные элементы классифицируют по типу диэлектрика, применяемого в конструкции.

Бумажные и металлобумажные конденсаторы

Элементы используются в цепях с постоянным или слабо пульсирующим напряжением. Простота конструкции оборачивается пониженной на 10-25% стабильностью характеристик и возросшей величиной потерь.

В бумажных конденсаторах обкладки из алюминиевой фольги разделяет бумага. Сборки скручивают и помещают в корпус в форме цилиндра или прямоугольного параллелепипеда.

Приборы работают при температурах -60…+125°C, с номинальным напряжением у низковольтных приборов до 1600 В, высоковольтных — выше 1600 В и ёмкостью до десятков мкФ.

В металлобумажных приборах вместо фольги на диэлектрическую бумагу наносят тонкий слой металла. Это помогает изготовить элементы меньших размеров. При незначительных пробоях возможно самовосстановление диэлектрика. Металлобумажные элементы уступают бумажным по сопротивлению изоляции.

Электролитические конденсаторы

Конструкция изделий напоминает бумажные. Но при изготовлении электролитических элементов бумагу пропитывают оксидами металлов.

В изделиях с электролитом без бумаги оксид наносится на металлический электрод. У оксидов металлов односторонняя проводимость, что делает прибор полярным.

В некоторых моделях электролитических элементов обкладки изготавливают с канавками, которые увеличивают площадь поверхности электрода. Зазоры в пространстве между пластинами устраняют с помощью заливания электролитом. Это улучшает емкостные свойства изделия.

Большая ёмкость электролитических приборов — сотни мкФ, используется в фильтрах, чтобы сглаживать пульсации напряжения.

Алюминиевые электролитические

В приборах этого типа анодная обкладка делается из алюминиевой фольги. Поверхность покрывают оксидом металла — диэлектриком. Катодная обкладка — твердый или жидкий электролит, который подбирается так, чтобы при работе восстанавливался слой оксида на фольге. Самовосстановление диэлектрика продлевает время работы элемента.

Конденсаторы такой конструкции требуют соблюдения полярности. При обратном включении разорвет корпус.

Приборы, внутри которых располагаются встречно-последовательные полярные сборки, используют в 2 направлениях. Ёмкость алюминиевых электролитических элементов достигает нескольких тысяч мкФ.

Танталовые электролитические

Анодный электрод таких приборов изготовляют из пористой структуры, получаемой при нагреве до +2000°C порошка тантала. Материал внешне напоминает губку. Пористость увеличивает площадь поверхности.

С помощью электрохимического окисления на анод наносят слой пентаоксида тантала толщиной до 100 нанометров. Твердый диэлектрик делают из диоксида марганца. Готовую конструкцию прессуют в компаунд — специальную смолу.

Танталовые изделия используют на частотах тока свыше 100 кГц. Ёмкость создается до сотен мкФ, при рабочем напряжении до 75 В.

Полимерные

В конденсаторах используются электролит из твердых полимеров, что дает ряд преимуществ:

увеличивается срок эксплуатации до 50 тыс. часов;
сохраняются параметры при нагреве;
расширяется диапазон допустимых пульсаций тока;
сопротивление обкладок и выводов не шунтирует ёмкость.

Пленочные

Диэлектрик в этих моделях — пленка из тефлона, полиэстера, фторопласта или полипропилена.

Обкладки — фольга или напыление металлов на пленку. Конструкция используется для создания многослойных сборок с увеличенной площадью поверхности.

Пленочные конденсаторы при миниатюрных размерах обладают ёмкостью в сотни мкФ. В зависимости от размещения слоев и выводов контактов делают аксиальные или радиальные формы изделий.

В некоторых моделях номинальное напряжение 2 кВ и выше.

В чем отличие полярного и неполярного

Неполярные допускают включение конденсаторов в цепь без учета направления тока. Элементы применяются в фильтрах переменных источников питания, усилителях высокой частоты.

Полярные изделия подсоединяют в соответствии с маркировкой. При включении в обратном направлении прибор выйдет из строя или не будет нормально работать.

Полярные и неполярные конденсаторы большой и малой ёмкости отличаются конструкцией диэлектрика. В электролитических конденсаторах, если оксид наносится на 1 электрод или 1 сторону бумаги, пленки, то элемент будет полярным.

Модели неполярных электролитических конденсаторов, в конструкциях которых оксид металла нанесли симметрично на обе поверхности диэлектрика, включают в цепи с переменным током.

У полярных на корпусе присутствует маркировка положительного или отрицательного электрода.

Применение конденсаторов в технике довольно обширно. Практически в каждой электрической или электронной схеме содержатся эти радиоэлементы. Трудно представить блок питания, в котором бы не было конденсаторов. Они наряду с резисторами и транзисторами являются основой радиотехники.

А что же такое конденсатор? Это простейший элемент, с двумя металлическими обкладками, разделенными диэлектрическим веществом. Принцип работы этих приборов основан на способности сохранения электрического заряда, т. е. заряжаться, а в нужный момент разряжаться.

В современной электронике применение конденсаторов весьма широкое и разностороннее. Разберем, в каких сферах техники, и с какой целью используются эти приборы:

В телевизионной и радиотехнической аппаратуре – для реализации колебательных контуров, а также их блокировки и настройки. Также их используют для разделения цепей различной частоты, в выпрямительных фильтрах и т. д.
В радиолокационных приборах – с целью формирования импульсов большой мощности.
В телеграфии и телефонии – для разделения цепей постоянного и переменного токов, токов различной частоты, симметрирования кабелей, искрогашения контактов и прочее.
В телемеханике и автоматике – с целью реализации датчиков емкостного принципа, разделения цепей пульсирующего и постоянного токов, искрогашения контактов, в тиратронных импульсных генераторах и т. д.
В сфере счетных устройств – в специальных запоминающих устройствах.
В электроизмерительной аппаратуре – для получения образцов емкости, создания переменных емкостей (лабораторные переменные емкостные приборы, магазины емкости), создания измерительных устройств на емкостной основе и т. д.
В лазерных устройствах – для формирования мощных импульсов.

Применение конденсаторов в современном электроэнергетическом комплексе также довольно разнообразно:

для повышения коэффициента мощности, а также для промышленных установок;
для создания продольной компенсационной емкости дальних линий электропередач, а также для регулировки напряжения распределительных сетей;
для отбора емкостной энергии от высоковольтных линий передач и для подключения к ним специальной защитной аппаратуры и приборов связи;
для защиты от перенапряжения сети;
для применения в мощных импульсных генераторах тока, в схемах импульсного напряжения;
для разрядной электрической сварки;
для запуска конденсаторных электродвигателей и для создания требуемого сдвига фаз дополнительных обмоток двигателей;
в осветительных приборах на основе люминесцентных ламп;
для гашения радиопомех, которые создаются электрическим оборудованием и электротранспортом.

Применение конденсаторов в неэлектротехнических областях промышленности и техники также весьма широко. Так, в сфере металлопромышленности эти компоненты обеспечивают бесперебойную работу высокочастотных установок для плавки и термообработки металлов. Применение конденсаторов в угольной и металлорудной добывающей промышленности позволило построить транспорт на конденсаторных электровозах. А в электровзрывных устройствах используется электрогидравлический эффект.

Подведя итог, скажем, что область применения конденсаторов настолько широка, что она охватывает все сферы нашей жизни, нет такого направления, где бы ни использовались эти приборы.

Читайте также: