Особенности конденсатора

Конденсаторы являются важнейшими пассивными компонентами электрических цепей. Любая электрическая схема содержит в своем составе такие элементы различных типов и номиналов.

Что это такое

Конденсатор — электрический двухполюсник (элемент с двумя выводами) с постоянным или изменяемым значением емкости. Обладает бесконечно большим сопротивлением постоянному току.

Основное назначение устройства — накопление энергии электрического поля и заряда.

Несмотря на то, что конденсаторы являются самостоятельными элементами, емкостью обладают любые другие устройства, даже диод и транзистор.

Характеристики

Как элемент электрической цепи, конденсатор имеет такие параметры:

• Электрическая емкость, которая характеризуется свойством накапливания электрического заряда.
• Номинальное напряжение. Значение напряжения на обкладках, при котором элемент в течении срока службы сохраняет свои параметры.

При работе с электрическими цепями необходимо учитывать паразитные параметры, которые являются нежелательными:

• Ток утечки, который появляется из-за несовершенства диэлектрика, качества изоляции обкладок.
• Последовательное эквивалентное сопротивление, которое складывается из сопротивления выводов, сопротивление контакта вывод-обкладка, внутренних свойств диэлектрика.
• Эквивалентная индуктивность, в которую входят индуктивность выводов и обкладок.
• Тангенс угла диэлектрических потерь, характеризующий электрические потери в конденсаторе на высоких частотах.
• Температурный коэффициент емкости, показывающий, как она меняется в зависимости от температуры.
• Паразитный пьезоэффект, проявляющийся как генерация напряжения при физическом воздействии на диэлектрик (тряска, вибрация).

Устройство конденсатора

Простейший конденсатор состоит из двух металлических пластин (обкладок), разделенных слоем диэлектрика. Емкость (способность накапливать электрический заряд) увеличивается с ростом площади пластин и с уменьшением толщины изолирующего слоя.

Параметры простейшей конструкции слишком малы. Для ее увеличения есть два пути:

• Увеличение площади обкладок, что приводит к увеличению габаритов.
• Уменьшение толщины диэлектрика, приводящее к снижению номинального рабочего напряжения из-за электрического пробоя.

Для того, чтобы избежать перечисленных проблем, разработаны специальные конструкции. Например, если сделать обкладки небольшой ширины и большой длины, их можно вместе с гибким диэлектриком свернуть в плотный цилиндр, получится цилиндрический конденсатор. Размещая пластины с диэлектриком попеременно, в виде слоеного пирога и чередуя подключение к выводам, получается прямоугольный компонент с большой эффективной площадью обкладок.

Еще один путь — использование в качестве диэлектрика тонкого оксидного слоя на поверхности металлической фольги и раствора проводящего электролита в качестве второй обкладки. Таким образом получается электролитический конденсатор, конструкция которого обладает самой большой емкостью.

В чем измеряется

Единицей емкости служит фарада. Но это очень большая величина и лишь некоторые специальные типы устройств имеют величину несколько фарад.

Обычно используются кратные величины:

• Микрофарада — 10-6 фарады— мкФ, µF.
• Нанофарада — 10-9 фарады— нФ, nF.
• Пикофарада — 10-12 фарады— пФ, pF.

Довольно часто в устройствах встречается последовательное и параллельное соединение. Как определить емкость соединенных конденсаторов? Результирующее значение для таких соединений рассчитывается по-разному.

Параллельное соединение

При параллельном соединении емкости всех элементов суммируется. Номинальное рабочее напряжение равняется наименьшему из соединенных элементов

Последовательное соединение

В данном случае, чтобы узнать результирующую емкость, придется прибегнуть к расчетам.

Для двух элементов:

С = С1·С2/(С1+С2)

Для трех элементов:

С=(С1·С2+С1·С3+С2·С3)/(С1+С2+С3)

Напряжение равняется сумме напряжений на каждом элементе.

Приборы для измерения емкости

Специальные приборы для измерения емкости используют различные принципы. Наиболее распространены такие:

• Измерение реактивного сопротивления;
• Измерение частоты резонанса колебательного контура.

Первый тип приборов наиболее распространен. Принцип их работы основан на том, что конденсатор обладает реактивным сопротивлением, обратно пропорциональным частоте приложенного напряжения. То есть, чем выше частота сигнала, тем меньше сопротивление. На клеммах прибора присутствует напряжение заданной величины и частота, а шкала уже откалибрована в единицах емкости, поэтому никаких вычислений производить не надо, за исключением учета положения входных переключателей.

Цифровые приборы для измерения емкости в эксплуатации еще проще. На цифровом индикаторе сразу показывается значение измеряемого параметра.

Для устройств второго типа используется явление резонанса — скачкообразное измерение параметров колебательного контура из соединенных конденсатора и катушки индуктивности.

Для определения емкости измеряемый элемент подключается к катушке индуктивности с точно определенными параметрами. Изменяя частоту сигнала, добиваются резонанса и отсчитывают в этот момент емкость конденсатора на шкале прибора.

Также как и первые, эти устройства могут быть аналоговыми или цифровыми.

Наиболее часто используются комбинированные измерительные устройства, которыми можно измерять дополнительно индуктивность и сопротивление — RLC-метры.

Специальный измеритель может определять эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, ESR) и тангенс угла потерь.

Оценить емкость электролитического конденсатора можно, используя обычный мультиметр в режиме измерения сопротивления. Время заряда косвенно будет свидетельствовать о величине емкости (Чем больше величина, тем медленнее будут изменения показаний).

Как правильно измерять емкость

Как измерить ёмкость конденсатора, не имея специального оборудования? Нужно определить величину тока, протекающую через цепь с конденсатором и падение напряжения на нем. Значение измеряемого параметра вычисляют на основании формулы:

Xc = 1/2·π·f·C,

Где Хс — реактивное сопротивление конденсатора,

π — число пи, равное 3.14,

f — частота тока.

Из приведенной формулы можно найти значение емкости:

С = 1/2·π·f·Хс

Реактивное сопротивление Хс находят из показаний измерительных приборов:

Хс = U/I.

Самостоятельное измерение емкости конденсаторов при помощи простейших приборов достаточно трудоемкое и не дает необходимой точности. Лучшие результаты можно получить, используя специализированные измерительные устройства.