Что такое конденсатор и как он работает

0
127

Что такое конденсатор и как он работает.

Конденсатор — это пассивный электронный компонент с постоянным или переменным значением ёмкости, служащий для накопления заряда электрического тока и передачи его другим элементам в электроцепи. В отличие от аккумулятора, который, фактически также служит для накопления и дальнейшего использования энергии, конденсатор имеет малую ёмкость, обеспечивает значительно большее количество циклов заряда и разряда без выработки своего ресурса, а также способен очень быстро отдавать накопленный заряд.

Для начала разберёмся со всеми пунктами определения. Сам термин происходит от латинского condensare — “уплотнять, сгущать, накапливать”, то есть описывает как раз процесс накопления электрического заряда. В англоязычных странах конденсатор называется capacitor, буквально “ёмкостник”, то есть акцент делается не на самом факте накопления, а на ёмкости устройства.

Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше энергии он может накопить и затем передать в цепь. Пассивность же выражается в том, что этот компонент, в отличие, например, от транзистора, не может самостоятельно генерировать или усиливать заряд.

У постоянных конденсаторов значение ёмкости изменить нельзя, но существуют и конденсаторы с изменяемой ёмкостью: переменные и подстроечные. Переменные позволяют управлять ёмкостью в процессе функционирования устройства — либо механически (изменением положения регулировочной рукояти), либо температурой. Такие конденсаторы применяются, например, в радиоприёмниках, в антенных устройствах.

Подстроечные конденсаторы не предполагают регулярного изменения ёмкости. Как видно из названия, она меняется только при подстройке цепей или аппаратуры, разовой или периодической. Подстроечные конденсаторы устроены проще, чем переменные, и предполагают лишь незначительный диапазон поправок ёмкости.

Строение

Простейший конденсатор состоит из двух металлических пластин (так называемых обкладок), разделённых диэлектриком. В качестве такого изолятора могут использоваться различные материалы — жидкие, твёрдые, газообразные. От типа диэлектрика зависит очень многое — фактически, все основные свойства конденсатора: сопротивление изоляции (то есть прохождению тока; утечки тока ведут к постепенной саморазрядке конденсатора), стабильность ёмкости, размеры, стоимость, условия работы и т.д.

Когда устройство подключается к источнику тока, на обкладках конденсатора накапливается и сохраняется заряд разной полярности (положительный на одной обкладке, отрицательный — на другой). При последующем подключении конденсатора к контуру без источника питания (или если напряжение в источнике ниже, чем напряжение в конденсаторе) происходит частичное или полное высвобождение накопленной энергии.

Чем больше площадь пластин и чем ближе друг к другу они расположены, тем больше ёмкость конденсатора. Причём обкладки совершенно не обязательно должны быть плоскими и прямоугольными (и чаще всего такими и не бывают) — они могут быть, например, цилиндрическими или сферическими.

Так, прототип современных конденсаторов, знаменитая “лейденская банка”, как раз представлял собой банку — то есть цилиндр, обклеенный внутри и снаружи листовым оловом. В металлобумажных конденсаторах обкладки из металлической фольги прокладываются бумагой, затем плотно сворачиваются в рулон, который помещается в корпус.

Ёмкость

Но какова бы ни была геометрия, зависимость не меняется — чем больше площадь обкладок и чем тоньше диэлектрический слой, тем больше ёмкость, и наоборот. Однако даже если обкладки совсем малы, а расстояние между ними достаточно велико, определённая ёмкость сохраняется. Так, например, конденсаторы небольшой ёмкости делают прямо на печатной плате, располагая две дорожки печатного монтажа напротив друг друга.

Впрочем, ёмкость (а также её стабильность, то есть способность не разряжаться) зависит и от диэлектрика. Любой материал, даже вакуум, в той или иной степени проводит электрический ток, что приводит к постепенной утечке заряда — саморазряду. Так что приходится соблюдать баланс — между ёмкостью и саморазрядкой, а также ценой, размером и другими факторами. Поэтому и существует множество типов и видов конденсаторов — используются разные диэлектрики и разные обкладки для разных, конкретных условий работы.

А что будет, если использовать конденсатор большей или меньшей ёмкости, чем требуется в данном случае? В большинстве случаев небольшое превышение ёмкости будет только на пользу. А вот использовать меньшую ёмкость не рекомендуется (как и, впрочем, сильно её превышать) — это может ухудшить работу всего устройства, да и сами конденсаторы долго не протянут.

Уточнение редактора

Основные параметры конденсаторов

Номинальная ёмкость. Именно эта цифра, показывающая способность конденсатора накапливать заряд, чаще всего указывается на его корпусе. Единица измерения — фарад, но лишь некоторые конденсаторы (ионисторы) имеют ёмкость в целых фарадах; ёмкость обычных конденсаторов исчисляется в пико-, нано- и микрофарадах.

Реальная ёмкость. Реальная ёмкость варьирует в зависимости от многих факторов и, соответственно, может довольно значительно отличаться от номинальной. Допустимое отклонение от номинала называется допуском; в зависимости от типа и сферы применения, допуск конденсатора может составлять от менее 1% до 90% (и даже выше).

Номинальное напряжение. Эта цифра также часто указывается на корпусе и показывает значения напряжения, при котором конденсатор будет работать с сохранением своих параметров, не выходя из строя в течение своего срока службы. Эксплуатационное напряжение не должно превышать номинальное, иначе произойдёт пробой — диэлектрик потеряет свои изолирующие свойства и начнёт проводить ток, то есть конденсатор перестанет выполнять свои функции.

Полярность. Большинство конденсаторов можно подключать к схеме, не беспокоясь о полярности. Но электролитические конденсаторы функционируют только при корректной полярности напряжения — в противном случае есть риск разрушения диэлектрика и взрыва корпуса (вследствие закипания электролита).

Применение

Конденсаторы востребованы во всех областях электротехники. Они могут служить в составе фильтров, подавляющих высоко- и низкочастотные помехи. Могут использоваться в импульсных схемах, где требуется их способность относительно медленно накапливать большой электрический заряд и быстро его отдавать — например, в фотовспышках. Применяются они и для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, и для хранения данных в оперативной памяти компьютера.