Типы конденсаторов, их характеристики и назначение

Накопление и преобразование электрической энергии можно отнести к базовым задачам, которые решают вспомогательные элементы радиоаппаратуры. Конденсатор относится к пассивным компонентам и выступает своего рода емкостью для поступающего заряда. Конструкция стандартных устройств предусматривает наличие пластинчатых электродов, которые разделяются тонкими диэлектриками. Более сложные типы конденсаторов могут содержать несколько электродных слоев, формирующих цилиндрическую намотку. Есть и другие отличительные признаки, обуславливающие возможности применения элементов для той или иной аппаратуры.

Назначение конденсаторов

На сегодняшний день едва ли найдется область радиотехники, в которой бы не использовались данные устройства. Наиболее распространены комбинации конденсаторов с резисторами и катушками индуктивности, участвующие в построении электрических цепей. Такие узлы поддерживают функции частотных фильтров, колебательных контуров и линий с обратной связью. Еще одна их распространенная задача – сглаживание пульсаций напряжения, требуемое во вторичных источниках энергоснабжения. В лазерных установках, системах вспышки и магнитных ускорителях электрический конденсатор используется для выдачи разового заряда с большим показателем мощности. И напротив, электротехнические приборы оснащаются данными элементами с целью компенсации реактивной мощностной энергии. Хотя такие элементы нельзя рассматривать в качестве полноценных емкостных накопителей энергии, в некоторых системах они выступают и как носители информации.

Маркировка устройств

Для визуального определения принадлежности конденсатора к той или иной категории используются специальные обозначения. В первую очередь указывается емкостный потенциал, выражаемый микрофарадами (мкФ). Могут применяться и другие единицы измерения, о чем также будет свидетельствовать соответствующая маркировка. Не всегда отмечается тип используемого в конструкции материала – как правило, без маркировки выпускаются керамические и пленочные неполярные модели. В свою очередь, обозначение танталовых конденсаторов соответствует резисторам – за исключением наличия знака µ и цифр 104 или 107. Такие устройства могут иметь оранжевый, желтый или черный цвет. В знаковой маркировке также указываются размерные параметры и емкость. Высоковольтные и электролитические модели помечаются величиной максимального напряжения, а для переменных конденсаторов указывается диапазон емкости.

Основные характеристики

Главным рабочим параметром является емкость, от которой зависит способность конкретной модели накапливать заряд. Следует разделять номинальную и фактическую емкость, так как на практике использования вторая величина может быть меньше. Диапазон значений по объему может варьироваться от 1 до 50 мкФ, а в некоторых случаях максимум достигает и 10 000 мкФ. Важен и показатель энергетической плотности, во многом определяемый конструкцией изделия. Наибольшей плотностью характеризуются крупноформатные типы конденсаторов, у которых масса обкладки с электролитом существенно превышает вес корпуса. К примеру, при емкости в 10 000 мкФ с напряжением в 0,45 кВт и массой порядка 2 кг плотность может достигать 600-800 Дж/кг. Как раз такие модели выгодно использовать для длительного хранения энергии. Помимо этого, рабочие свойства конденсаторов определяются допуском. Речь идет как раз о погрешности в соотношении показателей реальной и номинальной емкости. Данная величина выражается в процентах и в среднем составляет 20-30 %. В некоторых направлениях радиотехники применяются изделия с 1 % допуска.

Керамические конденсаторы

Это устройства, базирующиеся на дисковых керамических элементах с диэлектриками из титаната бария. Такой конденсатор можно использовать в системах с напряжением до 50 000 В, но важно учитывать, что он имеет минимальную температурную стабильность и широкий спектр изменения емкости. Среди достоинств можно отметить небольшие утечки тока, скромные размеры (при большой емкости заряда) и способность работать на высокой частоте. Что касается назначения, то керамические конденсаторы применяются в цепях с пульсирующим, переменным и постоянным током. Чаще всего используют модели емкостью до 0,5 мкФ. В процессе работы конденсатор этого типа хорошо справляется с внешними нагрузками, среди которых механические удары. Нельзя сказать, что керамический корпус отличается большим эксплуатационным сроком и долговечностью, однако в заявленный период технические свойства поддерживает стабильно.

Полиэстеровые модели

На схемах устройства данного типа обозначаются маркировкой K73-17 или CL21. Их оболочку формирует металлизированная пленка, а для корпуса используется эпоксидный компаунд. Как раз наличие этого наполнителя в конструкции делает полиэстеровые конденсаторы устойчивыми к температурным, физическим и химическим воздействиям. Этот набор эксплуатационных качеств обусловил и широкое распространение конденсаторов типа K73-17 в производстве светотехнических приборов. Средняя емкость устройства составляет 15 мкФ при максимальном напряжении порядка 1500 В. Характеристики скромные, но это не мешает применять конденсатор в тех же цепях с импульсным и переменным током. К тому же и низкая стоимость устройства способствует его популярности на радиорынке.

Конденсатор на основе полипропилена

Тоже вариант относительно недорогого накопителя электрического заряда, который при этом отличается низким коэффициентом потерь и высокой диэлектрической прочностью. К плюсам можно отнести и оптимальную гигроскопичность. То есть один из главных врагов радиоэлементов в виде влажности полипропиленовым конденсаторам не страшен. В качестве изоляторов применяется металлизированная пленка или полоски фольги. В новейших версиях используют и технологию самовосстанавливающейся оболочки, что повышает надежность и долговечность конденсатора.

Устройство может работать на повышенных частотах с сохранением достаточной мощности. Это качество позволяет использовать конденсаторы в системах индукционного обогрева, дополненных водяным охлаждением. Распространено и применение таких элементов в оснастке электромоторов на 220 В. В данном случае они выступают как пусковые компоненты. Эту функцию лучше всего реализуют модели с рабочей емкостью в диапазоне 1-100 мкФ и напряжением в 440 В. Но и это не единственные накопители на синтетической основе. Какие бывают конденсаторы из термопластиков? Внимания заслуживают полисульфоновые и поликарбонатные элементы. Первые отличаются низким влагопоглощением и способностью поддерживать высокое напряжение при температурных перепадах, а вторые в процессе работы демонстрируют оптимальную электротехническую стабильность.

Танталовые конденсаторы

Основу устройства формирует пентоксид тантала с оксидным электролитическим наполнением. Конденсатор отличается высоким отношением емкости к объему, широким спектром поддерживаемых температур и компактностью. Используют такие компоненты в мелком приборостроении, компьютерах и другой вычислительной технике. В этом семействе можно выделить следующие типы конденсаторов: полярные и неполярные, твердотельные, жидкостные. Наиболее привлекательные по эксплуатационным качествам именно твердотельные устройства, так как они характеризуются способностью поддерживать большое напряжение. Однако в условиях критического превышения допустимой величины тока они могут выходить из строя. Емкость танталовых моделей составляет 1000 мкФ, но по сравнению с электролитическими аналогами их собственная индуктивность гораздо ниже, что допускает возможность применения элемента на высоких частотах.

Особенности высоковольтных моделей

Элементы такого типа могут применяться в системах с высокими показателями напряжения, достигающими 15 000 В. При этом емкость у высоковольтных конденсаторов небольшая – порядка 50-100 нФ. В качестве диэлектрического материала чаще используется керамика. Благодаря этой основе выдерживаются большие нагрузки напряжения, а корпус защищает начинку от пробоев пластин.

Распространены и стеклянные вакуумные изделия, также поддерживающие напряжение более 10 000 В. Они представляют собой колбы с концентрическими электродами, в процессе работы обеспечивающими небольшие частотные потери. Применяют высоковольтные конденсаторы такого типа для решения ответственных радиочастотных задач с индуктивным нагревом. Но стоят такие компоненты дороже, отличаются хрупкостью и большими размерами.

Многослойные и однослойные конструкции

Обычно данную классификацию применяют в отношении конденсаторов, выполненных из керамики. Так, однослойные конденсаторы (дисковые) имеют простое устройство, но это не сказывается на уменьшении размеров. В большинстве случаев они массивнее, чем многослойные аналоги. В итоге увеличивается емкость устройства, но крупные размеры все же ограничивают их распространение в отдельных областях.

Что касается многослойных элементов, то они по эксплуатационным качествам в целом схожи с дисковыми, но потенциал накопителей еще выше. Также существенное преимущество заключается в надежности и долговечности. Форм-фактор, в котором выполняются многослойные конденсаторы, делает их менее чувствительными к агрессивным средам, что расширяет область применения. Такие компоненты преимущественно используют в дорогой профессиональной аппаратуре.

Масляные конденсаторы с пропитками

Это отдельная группа радиотехнических элементов, в основе которых находятся бумажные наполнители. Они обрабатываются специальными растворами наподобие воска и эпоксидных смол. Какие бывают конденсаторы масляного типа? Принципиально отличаются модели для постоянного и переменного тока. Первые используются в целях частотной фильтрации, повышения напряжения и устранения электрической дуги. Конденсаторы на масляной пропитке для систем с переменным током применяют в промышленности. Такое устройство располагает большой емкостью и может справляться с большими пиковыми нагрузками. Как правило, его используют в качестве пускового компонента для электромоторов. К дополнительным функциям можно отнести разделение фаз, коррекцию мощности и выравнивание напряжения.

Негативные факторы применения конденсаторов

Одной из главных проблем использования конденсаторов является высокая вероятность взрыва при перегревах, которые происходят из-за больших утечек. Также повысить риск поломки элемента могут близко расположенные радиаторы с высоким тепловым излучением. Какие типы конденсаторов наиболее подвержены взрывам? Чаще всего это происходит с электролитическими устройствами, обеспеченными ненадежными корпусами. Оптимизация конструкции с целью уменьшения размеров изделия заставляет производителей использовать тонкие оболочки, поэтому может иметь место разлет частей конденсатора и разбрызгивание электролита при сильном перегреве или в условиях повышенного внутреннего давления.

Заключение

И простейшие однослойные, и многослойные высоковольтные модели конденсаторов выполняют важные для радиоаппаратуры задачи. Как минимум они корректируют параметры тока, что при схожих размерах не может обеспечить ни один другой технический компонент. В то же время электрический конденсатор вовсе не является идеальным решением, что обуславливает постоянные поиски новых форматов его исполнения. Производители сложной аппаратуры экспериментируют с конструкциями, наполнителями и физическими свойствами, стараясь предлагать оптимальные потребительские качества данного устройства. Среди наиболее важных целевых параметров в этом плане можно назвать устойчивость конденсатора к нагрузкам, широкие рабочие диапазоны, минимальное радиационное воздействие и высокий срок службы.