Конденсатори

Отже, на черзі конденсатори. Це наступний пасивний елемент зі складу електронних компонентів, мабуть не менш вживаний аніж резистори.

Тут, стосовно назви, така самісінька історія, як з опором та резистором. Ємність – величина розмірна, а конденсатор – це конструктивний елемент, компонент, який має певну ємність.

Назва конденсатор, походить від слова конденсувати, тобто накопичувати, збирати. Саме так воно і є. А от за рахунок чого і як накопичує енергію конденсатор – ми з вами зараз і будемо розбиратися.

Схематично конденсатор можна зобразити як елементарно простий пристрій – дві металеві пластинки, дві дротини (виводи від пластинок) і шар діелектрика між ними (діелектриком можуть бути різні матеріали: повітря, конденсаторний папір, слюда, кераміка, скло, різноманітні полімери, напіврідкі хімічні сполуки). Власне кажучи, така проста конструкція і є справжнім конденсатором.

Одиницею виміру ємності є фарада (не робіть розповсюдженої помилки – це іменник жіночого роду). Слід зауважити, що фарада – дуже велика ємність, тому на практиці використовуються частинні значення від основної одиниці. Я навмисне наводжу вам цю страхітливу таблицю без математичних скорочень, щоб ви уявили собі різницю між однією піко-фарадою та однією фарадою. Умовно кажучи, якщо взяти дві металеві пластинки і розташувати їх на відстані 1 мм (тобто створити конденсатор із повітряним діелектриком), то для отримання ємності 1 фарада площа таких пластинок мусить бути 100 км² кожної, бо такий самий конденсатор з обкладинками по 1 см² має ємність близько 1 піко-фаради.

Втім, слід зауважити, що останні технологічні досягнення дозволили створити цікаві – іоністори, або ж супер-конденсатори. Ще їх називають "золотими конденсаторами", ні не тому що там є золото, а тому що властивості такого елементу, за 

своїми характеристиками, оцінюються на рівні золота. Це конденсатори виготовлені із застосуванням новітніх технологічних досягнень. А його ємність вимірюється фарадами, навіть десятками, сотнями, тисячами фарад. І, на відміну від акумулятора, такий елемент здатен практично миттєво заряджатися і віддавати накопичену енергію до повного розряду. Так звані "графенові" акумулятори теж належать до сімейства іоністорів.

До речі, а чи знаєте ви, що іоністори, по суті, не мають чітко обумовленої полярності? Так, на них нанесено маркування виводів, це позначення полярності заряду виробника. Якого і слід дотримуватися при використанні.

Тож за рахунок чого відбувається накопичення електричної енергії у конденсаторі?

Якщо скласти дві металеві пластини разом, проклавши між ними шматочок діелектричного матеріалу (у нашому випадку звичайний папірець), а до дротинок (виводів від пластинок) приєднати до нашого імпровізованого конденсатора елемент живлення – на металевих пластинах почне накопичуватися електричний потенціал у відповідності з полюсами джерела енергії. Виникає запитання: Чому?

Метал – провідник, папір – діелектрик. Як не крути, а статичні поля металевих пластин, які розділені тоненьким шаром ізолятора, впливають одне на одне. Саме тому, під час приєднання джерела енергії, у простому колі: елемент живлення-конденсатор виникає струм – струм заряду. Таке явище короткочасне і триває доти, поки електричні потенціали джерела живлення та пластин конденсатора не зрівняються.

Струм припиняється тому, що для постійної напруги конденсатор не є провідником, його обкладинки не мають контакту між собою, а тому опір наближається до безмежності.

Та найцікавіше відбувається далі. Якщо від'єднати джерело живлення, заряд на пластинах конденсатора не зникне, а буде утримуватися на конденсаторі ще якийсь час (скільки, то вже залежить від певних факторів). Потенціал на обкладинках утримується за рахунок різнойменних зарядів, які, як відомо, притягаються, до цієї справи долучається відомий нам з фізики ефект статичної електрики. А от якщо виводи конденсатора з'єднати між собою, або через якійсь споживач, то в них виникне струм розряду, конденсатор почне віддавати накопичений заряд.

Уважно поставтесь до наступного попередження! Конденсатори з невеличкою ємність, до 0,01 мкФ абсолютно безпечні для людини, втім, починаючи від ємності 0,1 мкФ залишковий заряд на конденсаторі може спричинити шкоду і найменше – це шокуючий ефект від враження струмом. Ніколи не торкайтесь виводів конденсатора, особливо високовольтних великої ємності, попередньо не позбувшись залишкового заряду – замкніть його виводи, наприклад, резистором 100 Ом. Батареї конденсаторів, особливо у колах живлення лампової техніки, можуть довгий час зберігати летальний заряд!!!

Звісно, наведена модель є спрощеною, втім вона абсолютно достовірно описує внутрішню будову та принцип роботи конденсатора.

Тож основним завданням конденсатора є накопичення електричного заряду. Його величина залежить від розміру обкладинок конденсатора, товщини діелектричного шару, виду матеріалу діелектрика. Простіше кажучи, якщо площа обкладинок більша (збільшується кількість електричного заряду), якщо товщина ізолятора менша (посилюється взаємодія зарядів), якщо його діелектрична стала більша (послаблюється електричне поле) – ємність збільшується, зі зміною будь-якого із цих факторів.

Виходячи з того, що завданням конденсатора є накопичення електричного заряду, його основна характеристика – ємність. Чим більша ємність – тим більше енергії здатен накопичити конденсатор.

Збільшуючи ємність, конструктори роблять тоншою діелектричну прокладку. Втім, цей процес не безкінечний, адже будь-який діелектрик має межу електричного пробою, тобто при перевищенні значення максимальної напруги у конденсаторі з'являться містки фізичного з'єднання його обкладинок і конденсатор втратить здатність накопичувати енергію, тоді кажуть конденсатор – "пробитий". Тож наступною характеристикою конденсатора є максимальна робоча напруга.

Ми вже знаємо, що зовнішня температура впливає на фізичні характеристики будь-якого матеріалу, не став виключенням із цього правила і конденсатор. Його ємність змінюється під впливом зміни температури оточення. І такі зміни нормуються показником, що має назву ТКЄ (Температурний Коефіцієнт Ємності).

Будь-який діелектрик, яким би він найкращим не був, здатен пропускати мікрострум, не буду заглиблюватися у фізичну природу такого явища, скажу лише, що саме цей фактор призводить до втрат накопиченого заряду. Тобто, безмежно довго заряд без змін утримуватися не може. Така фізична здатність описується струмом втрат (витоку).

Еквівалентний послідовний опір (ЕПО) або англійською абревіатурою ESR (Equivalent Series Resistance). Є складовою частиною опору діелектричного матеріалу, виводів, з'єднання виводів з діелектриком. Ідеальний конденсатор має лише ємність, втім, ЕПО завжди присутній у будь-якому конденсаторі, як послідовний еквівалент. Тому і має таку назву. ЕПО призводить до втрат при роботі, збільшується складова часу перезаряду, що призводить до падіння здатність конденсатора швидко реагувати на зміни стану заряд-розряд, а це, само-собою призводить до падіння ємності з урахуванням потреби швидкого реагування для роботи при певні частоті струму, збільшення нагріву. Найбільш критичною ця характеристика є для електролітичних конденсаторів.  

Я вже наголошував, що у колах постійної напруги конденсатор струму не проводить, він має розрив завдяки діелектрику. Цілком протилежною є його поведінка у колах змінної напруги. Тут він здатен проводити струм і має свій реактивний опір. Тобто, у колах змінної напруги поведінка конденсатора схожа на резистор. І таку його здатність ми обов'язково будемо розглядати.

З приводу проведення змінного струму мені згадалося жартівливе пояснення: "чому конденсатор проводить змінний струм?"  

Конструктивних різновидів конденсаторів існує величезна кількість. Тут вже конструктори, як то кажуть – відірвалися по повній. Серед них є паперові і слюдяні, керамічні і скляні, плівкові і композитні. Кожен з таких видів конденсаторів має свої переваги та недоліки, кожен з таких видів рекомендовано застосовувати у відповідних колах. Існують конденсатори як постійної так і змінної ємності. Серед постійних виділяються танталові, алюмінієві електролітичні – полярні та неполярні.

Стосовно використання, переваг та недоліків різних видів слід сказати, що конденсатори з повітряним діелектриком використовуються лише як змінні чи підстроювальні, вони мають певну нестабільність, ємність значною мірою залежить від температури та вологи довкілля, мають великі габарити, невеличку ємність на одиницю об'єму, порівняно низьку електричну стійкість, обмежену пробоєм повітряного проміжку.

Подекуди ще можна зустріти паперові конденсатори. Як діелектрик у таких конденсаторів використовується спеціальний конденсаторний папір. Для таких конденсаторів характерна висока надійність та електрична стійкість, деякі види розраховані на досить високу робочу напругу, вони мають непогану ємність у перерахунку на одиницю об'єму, малий струм втрат. Стосовно недоліків слід звернути увагу на досить велику вагу, суттєву індуктивність та реактивний опір.

Діелектриком для електролітичних конденсаторів править плівка оксидів на поверхні активного металу (як правило алюмінію). Особливістю більшості електролітичних конденсаторів є чітко обумовлена полярність виводів, позаяк при зворотній полярності оксидна плівка руйнується. Це викликано особливістю протікання електрохімічних процесів. Адже для плівки оксиду характерне періодичне утворення мікротріщин, які затягуються при дотриманні полярності і збільшуються при зворотній і, як наслідок – збільшується струм, відбувається нагрів та закипання електроліту, розрив корпусу – конденсатор руйнується. Такий ефект руйнування є наслідком електричного пробою при недотриманні режиму максимальної напруги, низької якості компонента, вікового старіння. Тож будь-який електролітичний конденсатор зі зміненою геометрією корпуса мусить бути негайно замінений.

Існують спеціальні способи боротьби з явищем залежності плівки оксиду від полярності, саме вони і дали змогу створити неполярні електролітичні конденсатори. Втім, слід зауважити, що існують також певні аматорські хитрощі, які дозволяють, застосувавши спеціальні методи включення, успішно використовувати поляні електроліти у колах змінного струму, тобто як неполярні, правда, доводиться миритися, з втратою частини ємності.

До переваг полярних конденсаторів слід віднести велику ємність на одиницю об'єму, одиницю маси. А як недоліки – обумовлена полярність, мала надійність та електрична стійкість, суттєві струми втрат, шуми, нестабільність, недовговічність, висока внутрішня індуктивність та опір.

Інколи, у не досить якісних електролітичних конденсаторів, або у зовсім древніх, електроліт з часом випаровується крізь мікроскопічні дефекти герметичності. Такі конденсатори втрачають ємність – висихають.

До сімейства електролітичних відносяться танталові конденсатори. Вони також мають чітко обумовлену полярність, втім, виготовляються із застосуванням зовсім іншої технології. Вона дозволяє отримати досить високу ємність на об'єм навіть у порівнянні з алюмінієвими електролітами. Їхня доступна ємність коливається від 0,1 до декількох сотень мікро-фарад. Такі конденсатори мають суттєво менший опір втрат і, що важливо, малий ЕПО Еквівалентний Послідовний Опір, у зв'язку з цим їх використовують як тестові зразки, знаходять вони застосування у вимірювальних приладах, а також високоякісних аудіо пристроях – там, де такі властивості особливо корисні.

До речі. Якщо ви звернете увагу на каталог товарів магазину "Радіодеталі", то у розділі "Конденсатори" знайдете підменю "Низькоімпедансні конденсатори". Це електролітичні конденсатори серії Low ESR, тобто конденсатори з малим ЕПО. При потребі тут можна підібрати конденсатори досить великої ємності, значно дешевші аніж танталові.

Останнім часом набули широкого вжитку твердо-тільні полімерні електролітичні конденсатори. Я їх виніс окремим абзацом, бо хоч вони і схожі на конденсатори з рідинним електролітом, мають зовсім інші властивості. По перше – їхній електроліт не рідина, не гель, а об'ємний твердий органічний полімер. Тому він ніколи не витікає і не висихає. У зв'язку з цим збільшилася верхня межа робочої температури і їхня довговічність. По друге – ЕПО таких конденсаторів менший у порівнянні з рідинними. Усе це у сукупності дає можливість сказати, що такі полімерні конденсатори більш надійніші, довговічніші, якісніші. Правда існує певний "недолік". Межа верхньої робочої напруги такого виду конденсаторів не надто висока. 

Діелектрик - слюда. Тому такий різновид і називається слюдяними конденсаторами. У таких конденсаторів використовують той факт, що слюда сама здатна накопичувати енергію. Її діелектрична стала набагато більша за одиницю, тому  при меньших габаритах вдається накопичити більше енергії. До переваг слід віднести високу ємність на одиницю об'єму, високу електричну стійкість. А от щодо вад – непевна лінійність, нестабільність параметрів, залежність ємності від сили струму, суттєву вартість. Слюда взагалі поводить себя в електричному полі досить дивно.

Керамічні конденсатори важко скрутити щільним валиком як паперові, чи зібрати пакетом як слюдяні, тому ємність їхня не буває великою, втім конденсатори такого типу досить розповсюджені. Вони мають досить стабільні параметри, малі шуми, втрати, не чутливі до температури – відрізняються стабільним ТКЄ, їхнє основне призначення робота в колах високих частот та блокувальних ланцюгах. Саме тому і різновидів їхніх мабуть більше ніж серед інших типів конденсаторів. Це і дискові, і трубчасті, і пластинчаті. Саме керамічні конденсатори бувають опорними, прохідними – такі конструктивні модифікації використовуються у високочастотній схемотехніці.

Не можу не зауважити з приводу того, що деякі керамічні конденсатори здатні "співати". Правда цікаво? Особливо це характерно для високочастотного високовольтного обладнання. А такий "спів" обумовлений звичайним п'єзоефектом. Адже керамічна пластинка з нанесеними на неї шарами металевої плівки дуже схожа на п'єзоелемент, і поводить себе інколи так, як і він – генерує напругу. Саме наслідком цього, у низькочастотних лампових підсилювачах, можна спостерігати так званий "мікрофонний" ефект від керамічних блокувальних конденсаторів. Коли підсилена низькочастотна складова модулюється зовнішніми звуками.

Якщо бути точним, слід сказати, що сучасна технологія дозволяє виготовляти багатошарові керамічні конденсатори, що підняло верхню межу їхньої можливої ємності.

До того ж варто нагадати, що SMD конденсатори, як правило – багатошарові керамічні.

Ну і нарешті останній, досить різноманітний різновид – плівкові конденсатори. Сучасні конденсатори, які прийшли на заміну паперовим саме завдяки освоєнню технології виготовлення різних за товщиною плівок із різноманітних полімерів.

Якщо вдатися до розгляду переваг та недоліків різних полімерних плівок, вийде допис за об'ємом не менший за увесь попередній текст.

Найчастіше використовуються поліпропіленові та тефлонові плівки. Вони мають високу електричну стійкість, великий опір діелектрика, отже добре утримують накопичений потенціал. Вирізняються дуже малим рівнем шумів. Досить активно використовуються у високочастотній та шумній схемотехніці.

Декілька слів стосовно підстроювальних конденсаторів. Вони бувають з повітряним, плівковим, чи керамічним діелектриком. На них розповсюджуються ті ж самі недоліки та переваги, як і на аналогічні конденсатори постійної ємності. Слід додати, що ці елементи не відрізняються великим діапазоном меж регулювання, тому добирати їх слід більш конкретніше.

Не можу не сказати ще про один вид "конденсаторів" – варікап. Це компонент, ємність якого змінюється під впливом напруги управління. Втім, технологічно, це вже напівпровідниковий компонент.

Щодо рядів ємностей, то конденсатори, як і резистори виготовляються відповідно до таблиці Е-рядів (див. першу частину Сходинки 1). Тобто перелік ємностей повністю відповідає як номіналам, так і відсотку точності значення (допуску).

Стосовно маркування. Ви вже мабуть зрозуміли, читаючи допис про резистори, яке це неймовірно складне завдання – описати маркування компонентів двома словами.

З конденсаторами ще складніше.

Для їхнього маркування використовуються літерні написи – це самий найзрозуміліший варіант. Що може бути простіше, як прочитати напис 200 µF 25 V.

Можна зустріти літерно-цифровий варіант кодування. Наприклад: 6n8 100 V. Трошки складніше, втім теж зрозуміло. Це буде 6,8 нФ, або 6800 пФ з робочою напругою 100 вольтів. Замість коми при такому вигляді написання використовується літера з вказівкою на ємність.

Існують цифрові коди, можливо з додатковими літерами наприкінці. Наприклад: на конденсаторі написано104. Перші дві цифри вказують на ємність, остання на код множника, на який слід помножити перші дві.

        0 = 1;     1 = 10;     2 = 100       ;     3 = 1 000;     4 = 10 000

        5 = 100 000;     6 = 1 000 000;     7 – не використовується

        8 = 0,01;     9 = 0,1

Отже 104 = 10 пФ х 10 000 = 100 000 пФ = 100 нФ = 0,1 мкФ

А от якщо там надруковано, скажімо, цифри 189, то 18 множимо на 0,1

Отже 189 = 18 пФ х 0,1 = 1,8 пФ

Після таких трьох цифр можна зустріти додаткову букву, яка є кодом толерантності (допуску) конденсатора. Наприклад: 104J або 104К, зверніть увагу на таблицю.

Інколи до напису додається ще й кодова літера верхньої межі робочої напруги.

Можна зустріти конденсатори розцяцьковані, неначе новорічні ялинки, різнобарвними плямами-крапками, смужками.

З вашого дозволу я не буду вдаватися до такої деталізації, бо цей допис розтягнеться до невизначеного розміру.

Дам лише пораду. У Інтернеті можна знайти пояснення будь-якого маркування. Втім, купуючи якісь елементи у магазині і розуміючи, що його маркування викликає у вас певні складнощі, стосовно визначення номіналу, відразу ховайте його до індивідуального пакетику, коробочки, касети, обов'язково вказуючи величину того номіналу з яким ви його придбаваєте.

А найліпшим варіантом, буде придбання чудового приладу для аматора – універсальний тестер LCR-T4.

Цей невеличкий пристрій – просто казкова допомога аматору. Він здатен вимірювати опір, ємність, індуктивність, визначати ЕПО (ESR). Перевіряє діоди, транзистори, стабілітрони, підказуючи аматору їхні основні параметри і все це без жодних перемикань. Він сам визначає, який компонент до нього приєднали.

Саме такий прилад допоможе вам розібратися із незрозумілими компонентами. Навести лад у ваших сховищах.

Стосовно SMD конденсаторів.

Керамічні конденсатори, зважаючи на їхні невеличкі розміри інколи маркирують кодом, що складається з однієї чи двох літер і цифр. Перший символ, якщо він присутній – код виробника, другий символ – значення і цифра показник степеню (множник) ємності у пФ. Наприклад: W4 – 68 000 пФ (6,8 x 10⁴). Простіше кажучи беремо значення відповідно до кодової літери і переносимо кому на кількість знаків праворуч, дописуючи при необхідності нулі.

Конденсатори виготовляють з різними типами діелектриків: NP0, X7R, Z5U и Y5V …. Діелектрик NP0(COG) має малу діелектричну проникність, зате гарну температурну стабільність (ТКЕ близький до нуля). SMD конденсатори більших номіналів, що виготовлені із застосуванням такого діелектрика найбільш дорогі. Діелектрик X7R має більшу діелектричну проникність, зате меншу температурну стабільність. Діелектрики Z5U и Y5V мають дуже високу діелектричну проникність, що дозволяє виготовляти конденсатори з великим номіналом ємності, втім, мають суттєву нестабільність параметрів. SMD конденсатор з діелектриками X7R и Z5U застосовуються в колах загального призначення.

І це ще далеко не все, знані фірми виробники інколи застосовують своє особисте маркування.

Для маркування SMD електролітичних конденсаторів використовують або досить зрозумілий цифро-літерний код, навіть з вказівкою на напругу. Або використовують кодове скорочене позначення на кшталт C475. Літера то вказівка на робочу напругу, а далі вже по зрозумілій нам методиці.

Отже, С475 = ємність з робочою напругою 16 В, номіналом 4,7 мкФ. Іще, зверніть увагу, смужка на SMD танталових електролітах позначає позитивний вивід, а на SMD полімерних – негативний. Це, щоб було легше заплутатися :).

Якщо ви вважаєте, що я навів повний перелік, то це не так. Маркуванню конденсаторів присвячені цілі трактати і те, що ви прочитали вище маленька частинка того, що там можна прочитати.

Хочу додати, для загального розвитку, що розміри SMD конденсаторів, залежно від типу, "гуляють" (довжина х ширина) від 0,4 мм х 0,2 мм (найменший тип 0402) до 20,3 х 15,3 мм (найбільший тип 203153).

Втім, зі свого досвіду, скажу вам, мені останнім часом не потрапляли на очі SMD конденсатори, на відміну від резисторів, хоч з якимось маркуванням (окрім полімерних та танталових). Все маркування, як правило,  нанесено на коробку, чи то стрічку партії, а користувачу дістаються сірі цеглинки (без жодних позначок).

Тому, надзвичайно корисним вважаю мультиметр для SMD компонентів. Якщо хтось збирається працювати з таким різновидом деталей, цей прилад буде надзвичайно корисним доповненням - Мультиметр MS891.

Він суто спеціалізований. Його призначення вимір опорів та ємності, саме SMD компонентів і користуватися ним дуже зручно.

-------------------------------------------------------------------

ВІДСТУП

знову про облік

Налагодивши зберігання компонентів чи то у пакетиках, чи то у касетах, чи у якихось коробочках, аматор все одно з часом зрозуміє, що йому доведеться обліковувати те все у купі. Це для того, щоб не длубатися у сховищах, а знати яка кількість елементів є у наявності, де вони зберігаються і чи не варто поповнити запаси.

Звісно, можна пошукати на теренах Інтернету програми.

Якщо є знання та уміння, можна написати власну базу даних, використавши, скажімо, Access, чи ще якусь оболонку для створення та управління БД.

Я використовую більш прозаїчний варіант. Він мене влаштовує, хоча це не догма.

Облік наявності своїх компонентів у мене налагоджено за допомогою табличного процесора зі складу OpenOffice:

Перелік варіантів облікових параметрів у стовпцях ви можете поміняти згідно зі своїми потребами та смаком. Що завгодно. Гадаю усім зрозуміло, що стовбець "Місце зберігання" вказує на конкретну адресу зберігання валізи, ящика, пакета. Це може бути балкон, антресолі, гараж і т. ін. "Примітка" – ну, щось на пам'ять, щоб не забути. "Стан" – Н (новий компонент), В (вживаний).

Обов'язковими є лише два стовпці: А – де записано формулу контролю за мінімальним запасом, та "Мін" – куди внесено кількість мінімального запасу, зменшення якого викликає появу мітки Ù у стовпці А.

Приклад формули для рядка 2: IF(B2<L2;"Ù";" ")

Отже, для будь-якого рядка – IF(B(поточний рядок)<L(поточний рядок); "Ù";" ")

Гадаю тут усе зрозуміло. Функція перевірки умови IF аналізує інформацію з клітинки стовпця L порівнюючи її з інформацією у клітинці стовпця B і якщо наявна кількість компонентів менша за встановлений критерій мінімуму – виводить спеціальний символ – зірочку.

У одній таблиці я веду все, що стосується резисторів, утворивши декілька аркушів:

Для інших компонентів – створюю іншу таблицю. Групую за видами та призначенням.

Знайти потрібний компонент дуже легко, навіть якщо у вас таблиця розростеться до значних розмірів. Для цього використайте опцію "Фільтр" і вкажіть, що вам і у якому стовпці потрібно знайти.

Якщо ви ладите з табличними процесорами, дуже легко, за допомогою макросів, організувати відбір компонентів для реалізації якогось задуманого проекту.

Повірте мені, навіть такий простенький облік значно полегшить вам життя.

Можете вести його на папері, у зошиті, чи ще де-небудь. Втім, якщо у вас такого не буде, ви з часом втратите контроль над своїми запасами і навіть не будете пам'ятати, що ж у вас є, і де воно є!

До наступної зустрічі!

Автор статті: Володимир Пустовіт