Керамический конденсатор, состав, типы, свойства и применение

Распространенные сферы использования

Накопители электрических зарядов пленочного исполнения характеризуются широкой сферой применения, что достигается благодаря их большому ассортименту. Чаще всего они внедряются в цепи датчиков, имеющих высокий импеданс, приборы для выборки-хранения, преобразователи, интеграторы, высоковольтные фильтры, усилители высокочастотного типа.

В измерительных или задающих время схемах, где наблюдаются низкие токовые импульсы, большое влияние имеют малая саморазрядность и изоляционная сопротивляемость, низкая абсорбция и стабильность по отношению к температурным нагрузкам. В низковольтных цепях основными параметрами являются значение тангенса и низкая индуктивность. Обычные конденсаторы электролитического или керамического типа не могут использоваться. Последние имеют недостаточную емкость. Первые обладают недопустимыми параметрами тангенса и индуктивности. Чтобы отказаться от применения сложной связки, здесь внедряются пленочные изделия.

В высоковольтных цепях они также незаменимы. Для обеспечения стабильной работы промышленного оборудования, необходимо достичь достойного уровня надежности и безопасности. Обычные электронные компоненты быстро выходят из строя при предельном повышении токовых нагрузок. Имеющиеся у них показатели абсорбции делают подобные изделия небезопасными. Пленочные аналоги обладают и перечисленными требованиями, и способностью восстанавливаться.

Где и для чего применяются

Всё же ответим на вопрос «для чего предназначен конденсатор?» с практической точки зрения. Для этого рассмотрим несколько схем.

Самое широкое применение электролитические конденсаторы нашли в качестве уже не раз упомянутого фильтра сетевых пульсаций в блоках питания. На схеме ниже изображено, где именно устанавливается электролит. Чем больше нагрузка – тем большая ёмкость электролита нужна для сглаживания пульсаций.

Следующее место, где применяются конденсаторы – это фильтры высоких и низких частот. Ниже на схеме приведены типовые включения. Таким образом в акустических системах разводят басы, средние и высокие частоты по динамикам без применения активных компонентов.

Балластные блоки питания часто используются для зарядки небольших аккумуляторов и питания маломощных устройств, таких как дешевые светодиодные лампочки, радиоприёмники и прочие. Плёночный конденсатор устанавливается последовательно с питающим устройством, ограничивая ток за счёт своего реактивного сопротивления – в этом и заключается принцип работы такой простой схемы.

Снабберы – это устройства, предназначенные для защиты полупроводниковых ключей и контактов реле от нагрузок, возникающих при коммутации. В современных импульсных высокочастотных БП нашли применение снабберы из резистора и конденсатора, таким образом улучшаются основные параметры в цепи и снижаются нагрузки на ключи, как и потери мощности на его нагрев. Принцип действия снаббера состоит в замедлении фронтов роста и спада напряжения на ключе за счет использования постоянной времени заряда ёмкости.

Параметры суперконденсаторов

Максимальная емкость отдельного суперконденсатора, достигнутая на момент написания статьи, составляет 12000 Ф. У массово выпускаемых супероконденсаторов она не превышает 3000 Ф. Максимально допустимое напряжение между обкладками не превышает 10 В. Для серийно выпускаемых суперконденсаторов этот показатель, как правило, лежит в пределах 2,3 – 2,7 В.   Низкое рабочее напряжение требует использование преобразователя напряжения с функцией стабилизатора. Дело в том, что при разряде напряжение на обкладках конденсатора изменяется в широких пределах. Построение преобразователя напряжения для подключения нагрузки и зарядного устройства являются нетривиальной задачей. Предположим, что вам нужно питать нагрузку с мощностью 60 Вт.

Для упрощения рассмотрения вопроса пренебрежем потерями в преобразователе напряжения и стабилизаторе. В том случае, если вы работаете с обычным аккумулятором с напряжением 12 В, то управляющая электроника должна выдерживать ток в 5 А. Такие электронные приборы широко распространены и стоят недорого. Но совсем другая ситуация складывается при использовании суперконденсатора, напряжение на котором составляет 2,5 В. Тогда ток, протекающий через электронные компоненты преобразователя, может достигать 24 А, что требует новых подходов к схмотехнике и современной элементной базы. Именно сложностью с построением преобразователя и стабилизатора можно объяснить тот факт, что суперконденсаторы, серийный выпуск которых был начат еще в 70-х годах XX века, только сейчас стали широко использоваться в самых разных областях.

Принципиальная схема источника бесперебойного питания напряжением на суперконденсаторах, основные узлы реализованы на одной микосхеме производства LinearTechnology

Суперконденсаторы могут соединяться в батареи с использованием последовательного или параллельного соединения. В первом случае повышается максимально допустимое напряжение. Во втором случае — емкость. Повышение максимально допустимого напряжения таким способом является одним из способов решения проблемы, но заплатить за нее придется снижением емкости.

Размеры суперконденсаторов, естественно, зависят от их емкости. Типичный суперконденсатор емкостью 3000 Ф представляет собой цилиндр диаметром около 5 см и длиной 14 см. При емкости 10 Ф суперконденсатор имеет размеры, сопоставимые с человеческим ногтем.

Хорошие суперконденсаторы способны выдержать сотни тысяч циклов заряда-разряда, превосходя по этому параметру аккумуляторы примерно в 100 раз. Но, как и у электролитических конденсаторов, для суперконденсаторов стоит проблема старения из-за постепенной утечки электролита. Пока сколь-нибудь полной статистики выхода из строя суперконденсаторов по данной причине не накоплено, но по косвенным данным, срок службы суперконденсаторов можно приблизительно оценить величиной 15 лет.

Свойства керамического конденсатора

Различные свойства керамических конденсаторов следующие:

Диэлектрическая проницаемость (K) керамического конденсатора

Они обладают высокой диэлектрической проницаемостью (К). Это свойство позволяет им обеспечивать высокое значение емкости даже при его небольших размерах.

Влияние на емкость при изменении температуры

Емкость этих конденсаторов изменяется нелинейно с изменением температуры. По этой причине они лучше всего подходят для использования в качестве развязывающих конденсаторов или байпасных конденсаторов.

Неполяризация в керамическом конденсаторе

Они не поляризованы. Это означает, что в этом типе конденсаторов нет проблем с полярностью. Они могут быть подключены к цепи с любой стороны.

Бюджетный

Их стоимость изготовления очень низкая.

Различные размеры

Они доступны в небольших размерах. Поэтому пространство для этого в цепи не вызывает беспокойства.

Надежность

Они очень надежны и обладают высокой переносимостью. Шансы на повреждение также меньше.

Диапазон емкости керамического конденсатора

Они доступны в различных значениях емкости от нескольких пФ до 1/2 мкФ.

Номинальное напряжение керамического конденсатора

Они доступны с переменным номинальным напряжением. Обычно они имеют низкое напряжение. Однако керамические конденсаторы MLCC имеют более высокое номинальное напряжение, чем электролитические конденсаторы.

Скупка конденсаторов

Практически все виды можно отдать в скупку конденсаторов. Сделать это можно через компании, которые занимаются радиодеталями в Москве. Цена, на которую можно рассчитывать, зависит от нескольких факторов. Основным из них является процентное соотношение редкоземельных металлов, которые входят в состав конденсатора.

Самыми ценными считаются те, которые имеют маркировку КМ Н30. Это объясняется тем, что в 1 кг таких конденсаторов порядка 50 грамм ценных материалов. Далее идет KM D. В них этот показатель равен 40 граммам. Однако самыми дорогими считаются те, которые имеют маркировку 5V. В них примерно на 10% выше содержание редкоземельных материалов.

У многих в гаражах, на чердаке или в каких-либо других закромах есть ненужная техника. Вероятнее всего в ней есть и конденсаторы, которые ценятся по сегодняшний день. Не стоит спешить их выбрасывать. Во-первых, это отрицательно сказывается на экологии, а во-вторых, можно сдать радиодетали в Москве и получить за это хорошие деньги.

В компании, которая работает по лицензии есть специалисты, которые могут провести грамотную оценку. Это дает гарантию честной сделки. Частные скупщики зачастую определяют цену «на глаз», поэтому встречаются ситуации, когда она значительно занижена.

◄ Назад к новостям

Принцип работы

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.

Watch this video on YouTube

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.

«Ёмкость» разряжается и заряжается по 2 раза за период и проводит переменный ток.

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 пленочных изделий

При производстве пленочных конденсаторов на диэлектрическую пленку напыляется металл или напрессовывается фольга. В первом случае получаются металлопленочные изделия, отличающиеся компактными габаритами, но сниженными электрическими свойствами.

В типовых элементах пленку скручивают в рулон. Но при таком исполнении увеличивается паразитная индуктивность. Для ее снижения в современных устройствах применяется многослойная спрессованная конструкция. Она представляет собой множество конденсаторов, имеющих параллельное соединение. Рассматриваемые изделия обладают уникальным качеством – способностью восстанавливаться. При возникновении перенапряжения и пробое диэлектрика начинается утечка тока. Последний нагревает металлическую пленку. Медленно расплавляясь металл испаряется, что активирует восстановление диэлектрической прочности.

Технические параметры компонентов определяются типом применяемого при производстве диэлектрика. Существуют полипропиленовые, полистирольные, поликарбонатные, фторопластовые варианты. Наиболее широкое применение получил второй тип. Пленочные конденсаторыимеют такие преимущества, как:

• низкие показатели тангенса;
• стабильные электрические показатели;
• широкий диапазон температур применения;
• компактные габариты;
• устойчивость перед значительными амплитудами напряжений;
• малый коэффициент абсорбции.

Как проверить деталь

Для проверки конденсаторов необходим прибор, тестер или иначе мультиметр. Существуют специальные приборы измеряющие емкость (С), но эти приборы стоят денег, и зачастую нет смысла их приобретать для домашней мастерской, тем более на рынке есть недорогие китайские мультиметры с функцией измерения емкости. Если на твоем тестере нет такой функции, ты можешь воспользоваться обычной функцией прозвонки – как прозванивать мультиметром, как и при проверке резисторов – что такое резистор.

Конденсатор можно проверить на “пробой” в этом случае сопротивление конденсатора очень большое, почти бесконечное (зависит от материала из которого изготовлен кондер). Необходимо включить тестер в режим прозвонки, подключить щупы прибора к электродам (ножкам) конденсатора и следить за показанием на индикаторе мультиметра, показание мультиметра будет изменяться в меньшую сторону, пока не остановится совсем.

После чего нужно щупы поменять местами, показания начнут уменьшаться почти до нуля. Если все произошло так как я описал, “кондер” исправен. Если нет изменений в показаниях или показания сразу становятся большими или прибор вовсе показывает ноль, конденсатор неисправен. Лично я предпочитаю проверять “кондюки” стрелочным прибором плавность движения стрелки легче отслеживать, чем мелькание цифр в окошке индикатора.

Общая концепция

Конденсатор состоит из двух проводящих обкладок и диэлектрика между ними. И все, больше ничего. С виду простая радиодеталь, но работает на высоких и низких частотах по-разному.

Обозначается на схеме двумя параллельными линиями.

Принцип работы

Эта радиодеталь хорошо демонстрирует явление электростатической индукции. Разберем на примере.

Если подключить к конденсатору постоянный источник тока, то в начальный момент времени ток начнет скапливаться на обкладках конденсатора. Это происходит за счет электростатической индукции. Сопротивление практически равно нулю.

Электрическое поле за счет электростатической индукции притягивает разноименные заряды на две противоположные обкладки. Это свойство материи называется емкостью. Емкость есть у всех материалов. И даже у диэлектриков, но у проводников она значительно больше. Поэтому обкладки конденсатора выполнены из проводника.

Основное свойство конденсатора это емкость.

По мере накопления зарядов, поле начинает ослабевать, а сопротивление нарастает. Почему так происходит? Места на обкладках все меньше, одноименные заряды на них действуют друг на друга, а напряжение на конденсаторе становится равным источнику тока. Такое сопротивление называется реактивным, или емкостным. Оно зависит от частоты тока, емкости радиодеталей и проводов.

Когда на обкладках не останется места для электрического тока, то и ток в цепи прекратиться. Электростатическая индукция пропадает. Теперь остается электрическое поле, которое держит заряды на своих обкладках и не отпускает их. А электрическому току некуда деваться. Напряжение на конденсаторе станет равным ЭДС (напряжению) источнику тока.

А что будет, если повысить ЭДС (напряжение) источника тока? Электрическое поле начнет все сильнее давить на диэлектрик, поскольку места на обкладках уже нет. НО если напряжение на конденсаторе превысит допустимые знания, то диэлектрик пробьет. И конденсатор станет проводником, заряды освободятся, и ток пойдет по цепи. Как тогда использовать конденсатор для высоких напряжений? Можно увеличить размер диэлектрика и расстояние между обкладками, но при этом уменьшается емкость детали.

Между обкладками находится диэлектрик, который препятствует прохождению постоянного тока. Это именно барьер для постоянного тока. Потому, что постоянный ток создает и постоянное напряжение. А постоянное напряжение может создавать электростатическую индукцию только при замыкании цепи, то есть, когда конденсатор заряжается.

Так конденсатор может сохранять энергию до тех пор, пока к нему не подключится потребитель.

Конденсатор и цепь постоянного тока

Добавим в схему лампочку. Она загорится только во время зарядки.
Еще одна важная особенность — когда происходит процесс зарядки током, то напряжение отстает от тока. Напряжение как бы догоняет ток, поскольку сопротивление нарастает плавно, по мере зарядки. Электрические зарядам нужно время, чтобы переместиться к обкладкам конденсатора. Так называется время зарядки. Оно зависит от емкости, частоты и напряжения.

Лампочка затухает при полной зарядке.

Постоянный электрический ток не проходит через конденсатор только после его зарядки.

Цепь с переменным током

А что если поменять полярность на источнике тока? Тогда конденсатор начнет разряжаться, и снова заряжаться, поскольку меняется полярность источника.

Электростатическая индукция возникает постоянно, если электрический ток переменный.Каждый раз, когда ток начинает менять свое направление, начинается процесс зарядки и разрядки.

Поэтому, конденсатор пропускает переменный электрический ток.

Чем выше частота — тем меньше реактивное (емкостное) сопротивление конденсатора.

Применение суперконденсаторов

Системы аварийного освещения являются тем местом, где использование суперконденсаторов вместо аккумуляторов дает ощутимый выигрыш. В самом деле, именно для этого применения характерна неравномерность разрядки. Кроме этого, желательно, чтобы зарядка аварийного светильника происходила быстро, и чтобы используемый в нем резервный источник питания имел большую надежность. Источник резервного питания на основе суперконденсатора можно встроить непосредственно в светодиодную лампу T8. Такие лампы уже выпускаются рядом китайских фирм.

Грунтовый светодиодный светильник с питанием от солнечных батарей, накопление энергии в котором осуществляется в суперконденсаторе

Как уже отмечалось, развитие суперконденсаторов во многом связано с интересом к альтернативным источникам энергии. Но практическое применение пока ограничено светодиодными светильниками, получающими энергию от солнца.

Активно развивается такое направление как использование суперконденсаторов для запуска электрооборудования.

Суперконденсаторы способны дать большое количество энергии в короткий интервал времени. Запитывая электрооборудование в момент пуска от суперконденсатора, можно уменьшить пиковые нагрузки на электросеть и в конечном счете уменьшить запас на пусковые токи, добившись огромной экономии средств.

Соединив несколько суперконденсаторов в батарею, мы можем достичь емкости, сопоставимой с аккумуляторами, используемыми в электромобилях. Но весить эта батарея будет в несколько раз больше аккумулятора, что для транспортных средств неприемлемо. Решить проблему можно, используя суперконденсаторы на основе графена, но они пока существуют только в качестве опытных образцов. Тем не менее, перспективный вариант знаменитого «Ё-мобиля», работающий только от электричества, в качестве источника питания будет использовать суперконденсаторы нового поколения, разработка которых ведется российскими учеными.

Суперконденсаторы также дадут выигрыш при замене аккумуляторов в обычных машинах, работающих на бензине или дизельном топливе — их использование в таких транспортных средствах уже является реальностью.

Пока же самым удачным из реализованных проектов внедрения суперконденсаторов можно считать новые троллейбусы российского производства, вышедшие недавно на улицы Москвы. При прекращении подачи напряжения в контактную сеть или же при «слетании» токосъемников троллейбус может проехать на небольшой (порядка 15 км/ч) скорости несколько сотен метров в место, где он не будет мешать движению на дороге. Источником энергии при таких маневрах для него является батарея суперконденсаторов.

В общем, пока суперконденсаторы могут вытеснить аккумуляторы только в отдельных «нишах». Но технологии бурно развиваются, что позволяет ожидать, что уже в ближайшем будущем область применения суперконденсаторов значительно расширится.

Маркировка

Если взглянуть на схему, отечественные компоненты отмечаются с набором характеристик:

• ёмкость,
• номинальное напряжение,
• дата выпуска,
• расположение маркировки на корпусе,
• цветовая маркировка отечественных радиоэлементов.

Важно разбираться в показателях, уметь расшифровывать аббревиатуры. Таким образом, получится точно определить тип конденсатора

Маркировка отечественных радиоэлементов

Ёмкость

Емкость конденсатора измеряется в фарадах (Ф), микрофарадах (мкФ) или пикофарадах (пФ) и прописываться рядом со значком элемента. На схемах учитывается постоянный, переменный, саморегулирующийся параметр. Номинальная емкость дублируется на корпусе конденсатора. Так, на элементе могут указываться обозначения:

• 5П1 — 5,1 пФ.
• H1 — 100 пФ.
• 1Н — 1000 пФ.

Номинальная емкость

Номинальное напряжение

Показатель номинального напряжения измеряется в вольтах, регулируется ГОСТом 9665 — 77. Если взглянуть на схему, встречается надпись С1 100В. В данном случае говорится о номинальном напряжении в 100 вольт. Таким образом, определяется электролитическая прочность компонента. Специалист способен рассчитать толщину диэлектрика, учитывая прочие факторы.

Номинальное напряжение

Зная показатель напряжения сети, открывается представление о сфере использования элемента. Если не учитывать данный параметр, конденсатор может не справится с возложенной на него нагрузкой. Весь секрет заключается в типе используемой обкладки. Также в расчет берутся рабочие температуры.

Дата выпуска

Если присмотреться к элементам, в конце маркировки оказывается 4 цифры. Они показывают год, а также месяц изготовления элемента. К примеру, на конденсаторе может быть указано «9608». Из этого следует, что элемент изготовлен в 1996 году, в августе месяце. Правила нанесения маркировки прописаны в ГОСТе 30668-2000.

Маркировки по ГОСТу 30668-2000

Расположение маркировки на корпусе

Чтобы быстро отыскать необходимую информацию на корпусе конденсатора, маркировка находится на передней стороне. Если рассмотреть плёночный компонент, либо другой тип, регламент четко прописан в ГОСТе и дублируется в технических инструкциях. Производитель обязательно использует цветовые индикаторы полосками. и цифровые обозначения.

Цветовая маркировка отечественных радиоэлементов

По цветовой маркировке можно узнать информацию о множителе, номинальной емкости и даже рабочей температуре.

• Золотистый цвет (указывает на низкий параметр множителя — 0.01 допуск составляет не более 5%).
• Серебристый (множитель 0.1, показатель допуска не больше 10%).
• Чёрный (множитель 1, допуск 20%).
• Коричневый (указывает на емкость 1 мкФ, множитель равняется 10, а допуск не более 1%).
• Красный (говорит о номинальной емкости 2 пф, множитель составлять 10 в квадрате, допуск около 2%).
• Оранжевый (это элемент с ёмкостью 3 пф, множитель 10 в третьей степени).
• Жёлтый цвет (элементы с емкостью 4 пф, множитель у них 10 в четвёртой степени).
• Зелёный цвет (элементы с множителем 10 в пятой степени, показатель 4 пф)
• Голубой цвет (на 6 пф, множитель 10 в 6 степени, отклонения 0.25 процентов).
• Фиолетовый (допуск от 0.1 процентов, параметр множителя 10 в седьмой степени, а емкость 7 пФ).
• Серый (допуск 0.05 процентов, ёмкость 8 пф, множитель — 10 в восьмой степени).
• Белый (элемент на 9 пф, множитель 10 в девятой степени).

Цвета конденсаторов

Маркировка конденсаторов импортного производства

Рассматривая маркировку импортных конденсаторов, необходимо понимать, что первые цифры показывают емкости. Далее следует количество нолей и потом показателя ЕТК. Ниже указывается допустимое рабочее напряжение, к примеру, взять электролитический конденсатор с ёмкостью 100 пф, на нём будет обозначение «100n». Также прописывается допустимое напряжение, например, 120 вольт.

Выше подробно расписаны типы конденсаторов. Каждый из элементов имеет определённое обозначение на схеме. Чтобы разбираться в них, стоит изучить таблицу со значениями и цветами.