Электрическая емкость Farad. Единицы измерения емкости конденсатора

Электрическая емкость - важнейший параметр во многих областях электроники и энергетики. От правильного выбора, расчета и применения конденсаторов зависят характеристики и надежность электрических цепей и устройств.

Что такое электрическая емкость

Электрическая емкость - это способность проводника или системы проводников накапливать электрический заряд. Чем больше заряда может быть накоплено при заданном напряжении, тем выше емкость.

Емкость проводника прямо пропорциональна количеству заряда и обратно пропорциональна приложенному напряжению.

В системе СИ единицей измерения электрической емкости является фарада. Обозначается буквой F.

Физический смысл емкости

Емкость характеризует способность проводника накапливать энергию электрического поля. Электрическое поле возникает при приложении напряжения к проводнику. Чем больше емкость, тем больше энергии может быть накоплено в проводнике при заданном напряжении.

Зависимость емкости от геометрии и диэлектрика

Емкость зависит от:

• Геометрии проводника
• Расстояния между проводниками
• Свойств диэлектрика между проводниками (диэлектрической проницаемости)

При прочих равных условиях, чем ближе расположены проводники и больше площадь их поверхности, тем выше емкость. Диэлектрики с бóльшей проницаемостью также увеличивают емкость.

Примеры реальных значений емкости

Емкость может варьироваться в очень широких пределах - от долей фарады до триллионов фарад:

• Емкость конденсаторов в радиотехнике - от единиц до тысяч пикофарад
• Емкость конденсаторов в импульсных источниках питания - от единиц до сотен миллифарад
• Емкость конденсаторных батарей для энергообеспечения - от единиц до сотен фарад

Такой широкий разброс значений обуславливает использование различных единиц измерения емкости.

Единицы измерения емкости

Основной единицей измерения электрической емкости в системе СИ является фарада (Ф).

Один фарад - это очень большая величина. Поэтому на практике используются производные единицы:

• Микрофарада (мкФ) - одна миллионная доля фарады
• Нанофарада (нФ) - одна миллиардная доля фарады
• Пикофарада (пФ) - одна триллионная доля фарады

Для удобства в технической документации часто используют сокращения:

• мкФ - микрофарада
• нФ - нанофарада
• пФ - пикофарада

Соотношения между единицами измерения емкости:

• 1 Ф (фарада) = 10⁶ мкФ (микрофарад)
• 1 мкФ (микрофарада) = 10³ нФ (нанофарад)
• Перевод нанофарад в микрофарады: 1 нФ = 0.001 мкФ

Таким образом, в зависимости от величины емкости удобно использовать фарады, микрофарады, нанофарады или пикофарады.

Емкость конденсаторов

Для хранения заряда в электрических цепях используют конденсаторы. Основным параметром конденсатора является его емкость.

На практике используются конденсаторы с емкостью от единиц пикофарад до сотен фарад. В зависимости от емкости их условно можно разделить на:

Конденсаторы малой емкости

К конденсаторам малой емкости относятся:

• Керамические - от единиц до тысяч пФ
• Пленочные - от сотен до миллионов пФ

Они используются в высокочастотных схемах, фильтрах, генераторах.

Конденсаторы средней емкости

Это электролитические конденсаторы емкостью от единиц до сотен мкФ. Применяются для сглаживания пульсаций в импульсных источниках питания, звуковой аппаратуре.

Конденсаторы большой емкости

К ним относятся конденсаторы емкостью от единиц до тысяч фарад. Используются в составе конденсаторных батарей для энергообеспечения различных устройств.

Маркировка емкости на корпусе

На корпусе конденсатора обычно указывается его номинальная емкость и обозначение соответствующей единицы измерения:

• пФ - пикофарады
• нФ - нанофарады
• мкФ - микрофарады

Например, конденсатор с маркировкой "1000 мкФ" имеет номинальную емкость 1000 микрофарад.

Потребляемая мощность конденсатора

При заряде конденсатора потребляется мощность, которая рассчитывается по формуле:

P = U²/R

где:

• P - мощность, Вт
• U - напряжение заряда конденсатора, В
• R - эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора, Ом

Например, при зарядке конденсатора напряжением 220 В и его сопротивлением 10 Ом потребляемая мощность составит сколько киловатт:

P = 220²/10 = 48400/10 = 4840 Вт или 4,84 кВт

Выбор рабочего напряжения конденсатора

У конденсаторов есть параметр - максимальное допустимое рабочее напряжение. Оно определяет предельное значение напряжения, которое можно прикладывать к конденсатору для нормальной и длительной работы.

При выборе конденсатора для конкретной схемы необходимо, чтобы его рабочее напряжение было равным или больше максимального напряжения в этой цепи.

Последовательное и параллельное включение конденсаторов

Конденсаторы могут соединяться последовательно или параллельно.

При параллельном соединении суммарная емкость равна сумме емкостей отдельных конденсаторов.

При последовательном соединении суммарная емкость меньше емкости наименьшего конденсатора.

Конденсаторы с управляемой емкостью

Существуют конденсаторы, у которых величину емкости можно плавно менять в некоторых пределах.

Такие конденсаторы переменной емкости (КПЕ) используются в настройках различных электрических цепей и устройств.

Применение конденсаторов в электронных схемах

Конденсаторы широко используются в схемах электропитания, высокочастотных устройствах, импульсных и цифровых схемах.

Они выполняют различные функции: фильтрация, развязка, интегрирование, формирование задержек, хранение заряда.

Деградация параметров конденсатора

В процессе длительной работы емкость и сопротивление конденсатора могут изменяться, что приводит к ухудшению характеристик устройства.

Поэтому при проектировании предусматривают запас по напряжению и другим параметрам, а также периодически заменяют стареющие конденсаторы.

Влияние температуры на параметры конденсатора

Емкость большинства типов конденсаторов зависит от температуры.

С повышением температуры емкость уменьшается. Этот эффект описывается температурным коэффициентом емкости (ТКЕ).

Для минимизации влияния температуры используют конденсаторы с малым ТКЕ, а также радиаторы и системы охлаждения.

Конденсаторы для работы на высоких частотах

С увеличением рабочей частоты эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) конденсатора играет все бóльшую роль.

Высокочастотные конденсаторы имеют минимальные значения ESR для эффективной работы на частотах до сотен мегагерц.

Импульсные конденсаторы

В импульсных источниках питания конденсаторы работают в режиме высоких токов заряда-разряда.

Специальные импульсные конденсаторы рассчитаны на пиковые токи в сотни и тысячи ампер.

Конденсаторы для хранения энергии

Суперконденсаторы и литий-ионные конденсаторы используются для аккумулирования и хранения электроэнергии.

Они обладают высокой удельной емкостью и мощностью, но более высокой стоимостью.

Тенденции развития конденсаторов

Основные направления развития конденсаторов:

• Повышение плотности энергии и мощности
• Снижение стоимости
• Расширение температурного диапазона
• Увеличение надежности и срока службы

Применение конденсаторов на транспорте

На электромобилях и гибридах используются суперконденсаторы для рекуперации энергии торможения, питания бортовой сети.

Конденсаторы фильтруют помехи в бортовой сети транспортных средств.

Конденсаторы для авиакосмической отрасли

Для авиации и космоса создаются специальные конденсаторы, устойчивые к перегрузкам, вибрации, радиации, перепадам температур.

Они проходят жесткие испытания и сертификацию.