Конденсатор — это электронный компонент, способный накапливать электрический заряд. Но, в отличии от аккумулятора, в конденсаторе не протекают химические реакции, энергия которых превращается в электрическую энергию. Посему, конденсатор способен почти мгновенно, в отличии от аккумулятора, зарядиться от внешнего источника электрической энергии или отдать весь накопленный заряд подключенной нагрузке. По этой причине конденсатор является пассивным электронным компонентом.
Для начала разберём, что в общем и целом из себя представляет рассматриваемый нами компонент. Идеальный, так называемый плоский конденсатор, состоит из двух токопроводящих пластин, установленных параллельно друг другу и разделённых между собой диэлектриком. Диэлектрик — это материал, который не проводит электрический ток. К наиболее часто применяемым диэлектрикам относятся: бумага, керамика, воздух. Если подключить к конденсатору источник электрической энергии, например, батарейку, то есть к одной пластине подключить «плюс» батарейки, а к другой — «минус», то между пластинами возникает электрическое поле, и обе пластины будут заряжены разноименными зарядами. Отключив батарейку от конденсатора, заряды будут удерживаться на обкладках, поскольку эти разноименные заряды стремятся притягиваться друг к другу, но диэлектрик между ними препятствует этому. Благодаря такому взаимному притяжению и диэлектрику, конденсатор способен накапливать заряд. Разумеется, реальный конденсатор рано или поздно разрядится, поскольку он из-за конструктивных особенностей имеет некоторое внутреннее сопротивление утечки между обкладками.
При заряде конденсатора между его обкладками возникает электрическое поле, под действием которого диэлектрик поляризуется. Его молекулы имеют выраженные полюса: положительный и отрицательный. Они ориентированы вдоль линий электрического поля, причём отрицательный полюс молекулы направлен к положительно заряженной обкладке, а положительный — к отрицательно.
Та величина заряда, которую конденсатор способен накопить, называется ёмкость. Ёмкость измеряется в фарадах [Ф]. Одна фарада [Ф] — это такая величина ёмкости конденсатора, которая способна накопить в себе заряд величиной один кулон [Кл], если приложить к обкладкам конденсатора напряжение величиной один вольт [В]:
C[Ф] = q[Кл] / U[В].
На практике величина ёмкости одна фарада очень большая, и применяется относительно редко, лишь только, когда используются суперконденсаторы. Чаще всего в электрических схемах применяются конденсаторы с намного меньшей ёмкостью: микро-, нано- и пикофарады.
Ёмкость зависит от площади пластин и расстояния между ними, а также величины диэлектрической проницаемости материала диэлектрика. Эту зависимость наглядно можно представить в виде следующей формулы:
где С — ёмкость конденсатора [Ф];
ε0 = 8,85 ⸱ 10-12 [Ф ⸱ м-1] — постоянная диэлектрическая проницаемость вакуума;
ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика;
S [м2] — площадь обкладки конденсатора;
d [м] — расстояние между обкладками.
Условные графические обозначения конденсаторов на принципиальных электрических схемах представлены на рисунке ниже.
(а — электролитический; б — неполяризованный; в — подстроечный; г — переменный)
В зависимости от используемого материала в качестве диэлектрика выделяют несколько типов конденсаторов:
— алюминиевый электролитический;
— танталовый электролитический;
— полимерные (плёночные);
— керамические.
Алюминиевый электролитический конденсатор
Конструктивно данный элемент имеет две пластины, одна из которых представляет собой алюминиевый лист с анодно-оксидированный слоем в качестве диэлектрика, а в качестве другой пластины выступает электролит. Грубо говоря, электролит находится в алюминиевом стакане, который является катодом («минус»), а пластина из алюминиевого листа с анодно-оксидированный слоем в качестве диэлектрика опускается в этот стакан и является анодом («плюс»). Такая конструкция делает электролитический конденсатор полярным, то есть постоянное напряжение должно прикладываться к конденсатору только определённым образом: «плюс» к аноду, а «минус» — к катоду. Дело в том, что если приложить напряжение наоборот, то в электролите (ионной жидкости) произойдёт ионный обмен, что приведёт к повреждению конденсатора.
Танталовый электролитический конденсатор
Этот тип конденсаторов является высокотехнологичным продуктом, поскольку для его изготовления необходимо пройти несколько сложных этапов. Сперва изготавливается анод из танталового порошка, который спекают при очень высокой температуре (порядка +2000 ̊C) и глубоком вакууме. После диэлектрический оксидный слой выращивают на поверхности анода из пентаоксида тантала посредством электрохимического окисления. Далее полученный диэлектрический слой покрывают диоксидом марганца, который будет являться электролитом для будущего конденсатора. И, на конец, электролит покрывают графитовым слоем, а затем металлическим слоем, образуя, таким образом, катод конденсатора. В финале сформированный композит запрессовывают в компаунд, который образует корпус конденсатора.
Полимерные (плёночные) конденсаторы
В качестве диэлектрика применяется плёнка, изготовленная из полимерных материалов: полипропилен, полиэстер, полиэтилен. Конденсатор буквально наматывается плёнкой в слои, между которыми находятся металлическая фольга, выполняющая роль обкладок. Такой тип конденсатора обладает несколько меньшей ёмкостью и паразитной индуктивностью, нежели электролитические, но зато их рабочее напряжение может быть несколько тысяч вольт.
Керамические конденсаторы
В таких конденсаторах в качестве диэлектриков применяются пластины из керамики. Отличительная особенность — небольшая ёмкость, как правило, от единиц пикофарад до нескольких десятков микрофарад, а рабочее напряжение может достигать нескольких киловольт. На сегодняшний день такие конденсаторы в основном применяются в качестве элементов фильтрации питания и сигналов.
Керамические конденсаторы выпускаются в разных корпусах, предназначенные под разные рабочие напряжения.
Бумажные и металлобумажные конденсаторы
В данном типе конденсаторов в качестве диэлектриков используется бумага, в некоторых типах — промасленная. Такие конденсаторы относительно других выделяются большими размерами, при этом сильно подвержены влиянию влажности окружающей среды. Потому на сегодняшний день эти компоненты редко применяются на практике.
Конденсаторы переменной ёмкости (с воздушных диэлектриком)
Конструкция таких конденсаторов представляет собой как минимум две секции в виде набора металлических пластин. Один набор пластин стоит неподвижно, а другой — установлен на валу, который перемещает эти пластины относительно неподвижных пластин. При вращении вала происходит изменение ёмкости конденсатора за счёт того, что пространство между неподвижными пластинами заполняется другими пластинами. Такие конденсаторы имеют малую ёмкость: от единиц до нескольких сотен пикофарад. Основная сфера применения таких конденсаторов — это колебательные контуры в приёмопередающей радиоаппаратуре. Сегодня такие элементы редко применяются, их заменили полупроводниковые варикапы.
Отдельно стоит отметить, что реальный конденсатор влияет на работу реальной схемы не только величиной своей собственной ёмкости, но и другими «паразитными параметрами», обусловленные конструктивом и неидеальными материалами конденсатора. Для простоты понимания влияния этих особенностей реального конденсатора в электрических схемах, конденсатор можно представить в виде эквивалентной схемы замещения, представленной на рисунке ниже.
C0 — собственная ёмкость конденсатора;
Rd — сопротивление изоляции конденсатора;
Rs — эквивалентное последовательное сопротивление;
Ls — эквивалентная последовательная индуктивность.
Заряженный конденсатор рано или поздно разрядится через сопротивление изоляции (диэлектрика) конденсатора (так называемый «ток утечки»). В среднем, для электролитических конденсаторов сопротивление утечки составляет не менее 100 кОм. Для качественных конденсаторов для силовой электроники характерно значение не менее 1 МОм.
Эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора — это такой параметр, который характеризует конденсатор с точки зрения активного сопротивления в цепи переменного тока. Это сопротивление обусловлено диэлектрическими потерями, сопротивлением обкладок, внутриконтактных соединений. То есть, когда через конденсатор протекает переменный ток, какое-то напряжение падает на этом общем эквивалентном сопротивлении, и эта энергия рассеивается в виде тепла, что негативно влияет на состояние конденсатора.
Эквивалентная последовательная индуктивность характеризует величину паразитной индуктивности, которая обусловлена конструктивом конденсатора. Например, плёночные конденсаторы представляют собой намотанные в рулоны слои, формируя, таким образом, ту самую катушку индуктивности. Этот параметр проявляется при протекании переменного тока через конденсатор. Так называемое реактивное сопротивление индуктивности аналогично эквивалентному сопротивлению, что значит аналогичное падение напряжения и, как следствие, рассеивание энергии в виде тепла.