Униполярный конденсатор что это
Всевозможные типы конденсаторов, используемые сегодня практически всюду в электронике и электротехнике, в качестве диэлектрика содержат различные вещества. Однако, что касается конкретно электролитических конденсаторов, в частности также танталовых и полимерных, то для них при включении в схему важно строгое соблюдение полярности. Если такой конденсатор включить в цепь неправильно, то он не сможет нормально работать. Данные конденсаторы называются поэтому полярными.
В чем же заключается принципиальное отличие полярного конденсатора от неполярного, почему одним конденсаторам все равно как быть включенными в схему, а другим принципиально важно соблюдение полярности? В этом и попробуем сейчас разобраться.
Дело здесь в том, что процесс изготовления электролитических конденсаторов сильно отличается от, скажем, керамических или полипропиленовых. Если у последних двух как обкладки, так и диэлектрик однородны по отношению друг к другу, то есть нет различия в структуре на границе обкладка-диэлектрик с обеих сторон диэлектрика, то электролитические конденсаторы (цилиндрические алюминиевые, танталовые, полимерные) имеют различие в структуре перехода диэлектрик-обкладка с двух сторон диэлектрика: анод и катод отличаются по химическому составу и физическим свойствам.
Когда изготавливают электролитический алюминиевый конденсатор, то не просто скручивают в рулон две одинаковые обкладки из фольги, проложенные пропитанной электролитом бумагой.
Со стороны анодной обкладки (на которую подается +) присутствует слой оксида алюминия, нанесенный на травленую поверхность фольги особым способом. Анод призван отдавать электроны через внешнюю цепь катоду в процессе заряда конденсатора.
Так же обстоит дело и с танталовыми конденсаторами, где в качестве анода служит порошок тантала, на котором формируется пленка пентаоксида тантала (анод связан с оксидом!), несущего функцию диэлектрика, затем идет слой полупроводника — диоксида марганца в качестве электролита, затем серебряный катод, с которого будут уходить электроны в процессе разряда.
Полимерные электролитические конденсаторы в качестве катода используют легкий проводящий полимер, а в остальном все процессы аналогичны. Суть — окислительная и восстановительная реакции, как в аккумуляторной батарее. Анод окисляется во время электрохимической реакции разрядки, а катод восстанавливается.
Когда электролитический конденсатор заряжен, то имеет место избыток электронов на его катоде, на минусовой обкладке, сообщающий как раз отрицательный заряд этой клемме, а на аноде — недостаток электронов, дающий положительный заряд, таким образом получаем разность потенциалов.
Если заряженный электролитический конденсатор замкнуть на внешнюю цепь, то избыточные электроны побегут от отрицательно заряженного катода к положительно заряженному аноду, и заряд будет нейтрализован. В электролите положительные ионы движутся в этот момент от катода к аноду.
Если включить такой полярный конденсатор в цепь неправильно, то описанные реакции не смогут нормально протекать, и конденсатор не будет нормально работать. Неполярные же конденсаторы могут работать в любом включении, поскольку в них нет ни анода, ни катода, ни электролита, и их обкладки взаимодействуют с диэлектриком одинаково, ровно как и с источником.
А что если под рукой есть только полярные электролитические конденсаторы, а нужно осуществить включение конденсатора в цепь тока с меняющейся полярностью? Для этого существует одна хитрость. Нужно взять два одинаковых полярных электролитических конденсатора, и соединить их между собой последовательно одноименными клеммами. Получится один неполярный конденсатор из двух полярных, емкость которого будет в 2 раза меньше каждого из двух его составляющих.
На этой основе, кстати, изготавливают неполярные электролитические конденсаторы, в которых слой оксида присутствует на обеих обкладках. По этой причине неполярные электролитические конденсаторы имеют значительно больший размер, чем полярные аналогичной емкости. Основываясь на данном принципе, изготавливают также электролитические пусковые неполярные конденсаторы, рассчитанные на работу в цепях переменного тока частотой 50-60 Гц.
Что такое конденсатор и как он работает?
Если вы рассмотрите печатную плату даже самого простого электронного устройства, то обязательно увидите конденсатор, а чаще всего встретите множество этих элементов. Присутствие этих изделий на различных электронных схемах объясняется свойствами данных радиоэлементов, широким диапазоном функций, которые они выполняют.
В настоящее время промышленность поставляет на рынок конденсаторную продукцию различных видов (рис. 1). Параметры изделий варьируются в широких пределах, что позволяет легко подобрать радиодеталь для конкретной цели.
Рис. 1. Распространённые типы конденсаторов
Рассмотрим более подробно конструкции и основные параметры этих вездесущих радиоэлементов.
Что такое конденсатор?
В классическом понимании конденсатором является радиоэлектронное устройство, предназначенное для накопления энергии электрического поля, обладающее способностью накапливать в себе электрический заряд, с последующей передачей накопленной энергии другим элементам электрической цепи. Устройства очень часто используют в различных электрических схемах.
Конденсаторы способны очень быстро накапливать заряд и так же быстро отдавать всю накопленную энергию. Для их работы характерна цикличность данного процесса. Величина накапливаемого электричества и периоды циклов заряда-разряда определяется характеристиками изделий, которые в свою очередь зависят от типа модели. Параметры этих величин можно определить по маркировке изделий.
Конструкция и принцип работы
Простейшим конденсатором являются две металлические пластины, разделённые диэлектриком. Выступать в качестве диэлектрика может воздушное пространство между пластинами. Модель такого устройства изображена на рис. 2.
Если на конструкцию подать постоянное напряжение, то образуется кратковременная замкнутая электрическая цепь. На каждой металлической пластине сконцентрируются заряды, полярность которых будет соответствоать полярности приложенного тока. По мере накопления зарядов ток будет ослабевать, и в определенный момент цепь разорвётся. В нашем случае это произойдёт молниеносно.
При подключении нагрузки накопленная энергия устремится через нагрузочный элемент в обратном направлении. Произойдёт кратковременный всплеск электрического тока в образованной цепи. Количество накапливаемых зарядов (ёмкость, C) прямо зависит от размеров пластин.
Конструкции современных конденсаторов отличаются от рассматриваемой нами модели. С целью увеличения ёмкости вместо пластин используют обкладки из алюминиевой, ниобиевой либо танталовой фольги, разделённой диэлектриками. Эти слоеные ленты туго сворачивают в цилиндр и помещают в цилиндрический корпус. Принцип работы не отличается от описанного выше.
Существуют также плоские конденсаторы, конструктивно состоящие из множества тонких обкладок, спрессованных между слоями диэлектрика в форме параллелепипеда. Такие модели можно представить себе в виде стопки пластин, образующих множество пар обкладок, соединённых параллельно.
В качестве диэлектриков применяют:
Отдельную группу составляют изделия, у которых одна обкладка выполнена из металла, а в качестве второй выступает электролит. Это класс электролитических конденсаторов (пример на рисунке 3 ниже). Они отличаются от других типов изделий большой удельной ёмкостью. Похожими свойствами обладают оксидно-полупроводниковые модели. Второй анод у них – это слой полупроводника, нанесённый на изолирующий оксидный слой.
Рис. 3. Конструкция радиального электролитического конденсатора
Электролитические модели, а также большинство оксидно-полупроводниковых конденсаторов имеют униполярную проводимость. Их эксплуатация допустима лишь при наличии положительного потенциала на аноде и при номинальных напряжениях. Поэтому следует строго соблюдать полярность подключения упомянутых радиоэлектронных элементов.
На корпусе такого прибора обязательно указывается полярность (светлая полоска со значками «–», см. рис. 4) или значок «+» со стороны положительного электрода на корпусах старых отечественных конденсаторов.
Рисунок 4. Обозначение полярности выводов
Срок службы электролитического конденсатора ограничен. Эти приборы очень чувствительны к высоким напряжениям. Поэтому при выборе радиоэлемента старайтесь, чтобы его рабочее напряжение было значительно выше номинального.
Свойства
Из описания понятно, что для постоянного тока конденсатор является непреодолимым барьером, за исключением случаев пробоя диэлектрика. В таких электрических цепях радиоэлемент используется для накопления и сохранения электричества на его электродах. Изменение напряжения происходит лишь в случаях изменений параметров тока в цепи. Эти изменения могут считывать другие элементы схемы и реагировать на них.
В цепях синусоидального тока конденсатор ведёт себя подобно катушке индуктивности. Он пропускает переменный ток, но отсекает постоянную составляющую, а значит, может служить отличным фильтром. Такие радиоэлектронные элементы применяются в цепях обратной связи, входят в схемы колебательных контуров и т. п.
Ещё одно свойство состоит в том, что переменную емкость можно использовать для сдвига фаз. Существуют специальные пусковые конденсаторы (рис.5), применяемые для запусков трёхфазных электромоторов в однофазных электросетях.
Основные параметры и характеристики
Ёмкость.
Важным параметром конденсатора является его номинальная ёмкость. Для плоского конденсатора справедлива формула:
С = (ε*ε0*S) / d,
где ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, S – размеры обкладок (площадь пластин), d – расстояние между пластинами (обкладками).
Реальная емкость отдельных элементов обычно невелика, но можно получить конструкцию ёмкостью в несколько фарад, если параллельно соединить огромное число обкладок. В этом случае реальная ёмкость равняется сумме всех ёмкостей обкладок.
Максимальные емкости некоторых конденсаторов могут достигать нескольких фарад.
Удельная ёмкость.
Величина, характеризующая отношение ёмкости к объёму или к массе радиодетали. Данный параметр важен в микроэлектронике, где размеры деталей очень важны.
Номинальное напряжение.
Одной из важных электрических характеристик является номинальное напряжение – значение максимальных напряжений, при которых конденсатор может работать без потери значений других его параметров. При превышении критической величины равной напряжению пробоя происходит разрушение диэлектрика. Поэтому номинальное напряжение подбирают заведомо большее любых возможных максимальных амплитуд синусоидального тока в цепи конденсатора.
Существуют характеристики, такие как тангенс угла потерь, температурный коэффициент ёмкости, сопротивление утечки, диэлектрическая абсорбция и др., которые интересны только узким специалистам, а их параметры можно узнать из специальных справочников.
Классификация
Основные параметры конденсаторных изделий определяются типом диэлектрика. От материала зависит стабильность ёмкости, тангенс диэлектрических потерь, пьезоэффект и другие. Исходя из этого, классификацию моделей целесообразно осуществлять именно по виду диэлектрика.
По данному признаку различают следующие типы изделий:
В твёрдотельных моделях срок службы больший, чем у жидко-электролитических и составляет около 50 000 часов. У них меньшее внутренне сопротивление, то есть ЭПС почти не зависит от температуры, они не взрываются.
Классифицируют изделия и по другому важному параметру – изменению ёмкости. По данному признаку различают:
Все существующие конденсаторы можно условно разделить на общие и специальные. К изделиям общего назначения относятся самые распространённые низковольтные конденсаторы (см. рис. 6). К ним не предъявляют особых требований.
Рис. 6. Конденсаторы общего назначения
Все остальные ёмкостные радиоэлементы принадлежат к классу специального назначения:
Изображённые на фото устройства могут работать в высоковольтных цепях сравнительно низкой частоты.
Маркировка
Для маркировки отечественных изделий применялась буквенная система. Сегодня распространена цифровая маркировка. В буквенной системе применялись символы:
В данной системе маркировки иногда первую букву опускали.
В новой системе маркировки на первом месте может стоять буква К, а после неё идёт буквенно-цифровой код. Для обозначения номинала, вида диэлектрика и номера разработки используют цифры. Пример такой маркировки показан на рисунке 8. Обратите внимание на то, что на корпусе электролитического конденсатора обозначена полярность включения.
Обозначение на схемах
Каждое семейство конденсаторов имеет своё обозначение, позволяющее визуально определить его тип (см. рис. 9).
Рис. 9. Обозначение на схемах
Соединение конденсаторов
Существует два способа соединения: параллельное и последовательное. При параллельном соединении общая ёмкость равна сумме ёмкостей отдельных элементов: Собщ. = С1 + С2 + … + Сn.
Для последовательного соединения расчёт ёмкости рассчитывается по формуле: Cобщ. = ( C1* C2 *…* Cm ) / ( C1 + C2+…+Cn )
Чтобы быстро посчитать общую емкость соединенных конденсаторов лучше воспользоваться нашими калькуляторами:
Применение
Конденсаторы применяются почти во всех областях электротехники. Перечислим лишь некоторые из них:
С помощью этого радиоэлектронного элемента можно получать импульсы большой мощности, что используется, например, в фотовспышках, в системах зажигания карбюраторных двигателей.
Как сделать из полярного конденсатора неполярный и в чем их отличие между собой
Один из наиболее распространенных компонентов электрических схем – неполярный конденсатор. Они применяются в блоке питания, высокочастотном устройстве (емкости с тремя выводами), в цепи звука и т.д.
В рамках этой статьи мы не будем затрагивать теоретические основы радиоэлектроники, чтобы описать его принцип работы. Если требуется обновить знания, эту информацию несложно найти через поисковые серверы. Поэтому перейдем, непосредственно, к практическим вопросам. А именно: чем неполярная емкость отличается от полярной, как проверить работоспособность элемента, маркировка и т.д.
В чем отличие полярного и неполярного конденсатора
Основное отличие между этими двумя типами заключается в структуре диэлектрика, точнее, в его границе с обкладкой. Для наглядности предлагаем рассмотреть рисунок 1, где изображен неполярный керамический конденсатор.
Рисунок 1. Устройство керамической емкости в SMD корпусе
Обозначение элементов конструкции:
Как видно из рисунка, граница между диэлектриком и обкладкой однородная, соответственно, и взаимодействие между ними одинаковое. Поэтому данный тип элементов не требует соблюдения полярности при монтаже.
Что касается электролитических (полярных) емкостей, то в них структура перехода между обкладкой и диэлектриком отличается для каждой из сторон последнего (катода и анода). Причем различия выражаются как в физических свойствах, так и химическом составе. Для примера рассмотрим, как устроены танталовые электролитические емкости.
Обозначения:
При монтаже данного типа емкости необходимо соблюдать полярность. В противном случае элемент не будет выполнять свои функции. Поэтому использовать электролитические емкости можно только в цепи постоянного тока (или импульсного). Применение в цепи переменного напряжения также допустимо, если включение электролитов отвечает определенным условиям. Можно ли заменить электролит неполярной емкостью, расскажем ниже.
Делаем неполярный конденсатор из полярного
Причин для нештатного применения электролитов может быть несколько, начиная от отсутствия неполярных конденсаторов и заканчивая необходимостью собрать схему, обеспечивающую подключение трехфазного электродвигателя к однофазной сети.
Решить проблему можно за счет встречного включения двух электролитов так, как показано на рисунке ниже. У обоих элементов должны совпадать как емкость, так и номинальное напряжение.
Пример соединения двух электролитов для работы в цепи переменного тока
Следует принимать во внимание, что общая емкость такого соединения «С» будет половинной от указанного номинала элементов «С1» и «С2». То есть, если имеются два электролита на 10 мкф каждый, мы получим неполярный электролитический конденсатор на 5 мкф (учитывая допустимую погрешность 4 мкф – 4,7 мкф). Что касается напряжения, то необходимо учитывать амплитуду переменного тока, то есть, для цепи 220 Вольт, следует подбирать элементы с номинальным напряжением минимум 400 Вольт.
Приведенную выше схема не совершенна, ее можно немного модернизировать, зашунтировав емкости диодами так, как изображено на рисунке ниже, это обеспечит защиту от пробоя.
Добавление шунтирующих диодов
Указанный выше принцип можно использовать для замены вышедшего из строя пускового конденсатора для электродвигателя. Не рекомендуем производить подобную замену для звука, поскольку электролиты, как и керамические емкости в силу их особенностей стараются не использовать в аудиотехнике.
Как проверить неполярный конденсатор мультиметром
Эксплуатация радиоэлектроники подразумевает и устранение неисправностей в оборудовании. Поэтому, рассматривая неполярные емкости, нельзя абстрагироваться от темы диагностики их работоспособности.
Как показывает практика, в большинстве случаев причиной выхода из строя емкости является пробой, что приводит к уменьшению сопротивления утечки. То есть, элемент становится, практически, проводником. Такую неисправность часто можно определить по внешнему виду емкости (см. рисунок 5), если это не помогло, потребуется простейший цифровой или аналоговый мультиметр.
Рисунок 5. «Выгоревшая» (пробитая) емкость
С помощью прибора следует замерить сопротивление утечки, в рабочих элементах оно должно быть бесконечно большим. Проверка выполняется следующим образом:
Проводим измерение, если емкость исправна на экране отобразится единица (рисунок 7), что свидетельствует о бесконечно большом сопротивлении между обкладками.
Рисунок 7. Прибор в режиме прозвонки показывает бесконечно большое сопротивление
К сожалению, данным способом можно только проверить емкость на пробой, для определения внутреннего обрыва такой метод не подходит. В этом случае отличить поломанную деталь от работоспособной, можно измерив ее емкость, некоторые модели мультиметров имеют такую функциональную возможность. Принцип проверки практически не отличается от тестирования на пробой, за исключением того, что прибор необходимо перевести в режим измерения емкости.
Маркировка
Существует три основных параметра, характеризующие конденсатор: показатель номинальной емкости, допуска и штатного напряжения. В большинстве случаев применяется два метода маркировки – буквенно-числовой и числовой.
В первом случае буква обозначает величину емкости (μ, nF, pF) и играет роль десятичной запятой. Например, если неполярный конденсатор имеет маркировку 1 μ, значит это деталь с емкостью 1 мкф, а надпись 3μ3 – 3,3 мкФ.
Для обозначения допуска может использоваться буквенная кодировка, ее расшифровка представлена на рисунке 8.
Рисунок 8. Расшифровка буквенной маркировки допуска
Рабочее напряжение емкости также может обозначаться буквенным кодом, ниже приведена его раскодировка.
Таблица: расшифровка буквенной маркировки допустимого напряжения
Емкости небольшого размера, например, в SMD исполнении принято маркировать трехзначным цифровым кодом.
Трехзначный цифровой код параметра емкость
Чтобы не запоминать все значения таблицы, воспользуйтесь следующим правилом расшифровки: значения приводятся в пикофарадах, первое и второе значение – мантисса, третье – степень с основанием 10. Например, надпись 331 будет означать 330 пФ (33*10).
Электролитические конденсаторы особенности работы в схемах
На поверхности одного электрода, называемого анодом, формируют тонкий оксидный слой, являющийся диэлектриком; этот электрод является одной обкладкой конденсатора. Второй является электролит, а электрод, называемый катодом, служит выводом от электролита. В качестве катода обычно используют металлический корпус конденсатора.
Конденсатор в зависимости от материала и состояния электролита может быть жидкостным, сухим (в виде вязкого пастообразного электролита) или оксидно-полупроводниковым (оксидный слой анода покрывается слоем твердого полупроводника).
Жидкостные конденсаторы имеют лучшие условия охлаждения, могут работать при больших нагрузках и обладают свойством восстановления при пробое.
Сухие конденсаторы имеют несколько меньшие потери и ток утечки, а также более простую конструкцию. В настоящее время такие конденсаторы получили наибольшее распространение.
Основным достоинством электролитических конденсаторов является большая емкость при относительно небольших размерах и низкой стоимости.
Недостатки пониженная надежность, низкая точность и стабильность емкости, большие потери, низкое сопротивление изоляции, чувствительность к перенапряжениям и температуре (при повышении температуры емкость растет).
