До этого я призывал вас испортить несколько электролитических конденсаторов. Сегодня я расскажу об наиболее важных параметрах конденсаторов. Не расстраивайтесь, что будет мало практики, информация очень важна.

Вы когда ни будь слышали, что бы продавец сказал: из этого номинала есть стирофлекс и керамика N750, или может: из керамики 1 нФ есть только сегнетоэлектрика. Покупать или не покупать?

Если у вас когда-нибудь возникала проблема с ответом на этот почти шекспировский вопрос - читайте этот материал. Если такой дилеммы не было, потому что не видно проблемы - тем более читайте! Сегодня я хочу, чтобы вы поняли, что идея о том, что конденсатор имеет только емкость, это детская наивность.

Часто бывает, что среди нескольких различных типов конденсаторов одинакового номинала, только один действительно имеет право на применение. Некоторые совершенно непригодны и схема с ними, или не будет работать, или результаты будут далеки от ожидаемых.

Хорошо это или плохо, что производители компоненты, так все усложнили? Не было бы лучше иметь только конденсаторы пригодные для каждой схемы?

Но ситуация такая, как она есть, и если вы хотите быть настоящим инженером-электронщиком, вы должны ориентироваться на последнюю моду.

Роль диэлектрика

Давайте начнем с основ. Каждый конденсатор состоит из проводящих обкладок и расположенного между ними диэлектрика или изолятора. Обычно известно, что через конденсатор может протекать переменный ток. Такая формулировка, хотя в основном верная, но может привести к путанице. Как? Через диэлектрик (изолятор) ток не течет. На обкладках конденсатора накапливаются электрические заряды. Если заряд одной из обкладок больше или меньше чем на другой, тогда между пластинами конденсатора есть некоторое напряжение. Сейчас мы говорим о постоянном напряжении. Если есть напряжение, то в диэлектрике, между обкладками возникает электрическое поле (статическое). Если вы сейчас попытаетесь изменить напряжение на обкладках конденсаторе ... нет проблем, а, что произойдет с током?

Скажите: а что с током? Вы правы: если меняется напряжение на конденсаторе, то есть ток. Но течет ли ток через диэлектрик? Нет! Изменится только количество зарядов на обкладках конденсатора и напряженность электрического поля между обкладками. Ток, носители заряда движутся, скапливаются на обкладках конденсатора, но не проходят через изолятор. Изменяется напряженность электрического поля в диэлектрике. Вот почему мы говорим, что конденсатор накапливает энергию в электрическом поле.

Итак, что мы видим со стороны, что протекание тока через конденсатор на самом деле является изменением количества зарядов на обкладках и изменением напряженности  электрического поля между ними.

Это необходимо для наших соображений?

Да! Потому что я хочу, чтобы вы поняли, что свойства конденсатора зависят в основном от диэлектрика.

Может вы думаете, что здесь главным является устойчивость диэлектрика к пробоям. Конечно, это является серьезной проблемой, но с понятной природой, простой и не требующей серьезного рассмотрения. Проще говоря, если напряженность электрического поля становится больше определенного предела (разного для различных диэлектриков) это создает электрическую дугу и через диэлектрик течет ток - говорят, что его пробивает. Некоторые конденсаторы (но что важно - не все), от этого выходят из строя. Таким образом, для каждого конденсатора есть максимально допустимого напряжение между его обкладками. В каталогах есть несколько связанных с этим параметров; для наших целей нужно только упрощенное утверждение, что сумма постоянного и переменного напряжения на клеммах конденсатора в любое время, не должна превышать номинального напряжения. Вот и все!

Где E0 – диэлектрическая постоянная 8,8542

Er – относительная диэлектрическая проницаемость проводника

S – площадь обкладок

d – расстояние между обкладками

Эта формула показывает, каким способом можно достичь нужной большой емкости:

- За счет увеличения площади поверхности обкладок S (для "электролиты" используется травление поверхности)

- За счет уменьшения толщины диэлектрика d (но нужно использовать диэлектрики очень устойчивые к пробоям, таких как Al2O3 или Ta2O5 применяемые в "электролитах")

- И, наконец, с помощью с высокой относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика.

Знаете ли вы, что это такое диэлектрическая проницаемость? Не знаете? Это не имеет значения! Это не особенно нужно. Вообще это физическая величина, характеризующая свойства диэлектрика с точки зрения электрического поля.

Не вникая в детали, в этих диэлектрических свойствах и заключается проблема с параметрами и свойствами конденсаторов.

Нет идеального диэлектрика. Вакуумные и воздушные, например, имеют некоторые превосходные свойства, но, к сожалению небольшую диэлектрическую проницаемостью (Е = 1). Другие материалы обладают высокой проницаемостью порядка десятков тысяч, но малое сопротивление к пробоям. Иные изоляторы имеют хорошие электрические свойства, но есть технологические трудности, ограничивающие их практическое применение. И возможно самое плохое, что наиболее интересные нам материалы не обладают постоянной диэлектрической постоянной, а зависит от частоты, температуры, влажности, а иногда даже напряженность электрического поля.

Идеальным были бы, конечно, вакуумные конденсаторы, но какими будут размер и вес вакуумного конденсатора емкостью 1 мкф? Если вы хотите, можете вычислить необходимую поверхность обкладок, приняв расстояние D = 1 мм или даже 0,1 мм.

Здесь я вспомнил о ситуации в начальной школе, когда мама моего друга, услышала от сына, что для приемника нужен "резистор 15 кило", она спросила: а ты, сынок это радио унесешь? Резистор можно унести, а вот с названным конденсатором возникнут проблемы.

Итак, мы имеем первый, приблизительный ответ, почему конденсаторы одинаковой емкости могут значительно различаться по своим свойствам. Просто часто используют различные несовершенные диэлектрики.

Можете ли вы представить конденсаторы содержащие диэлектрики, электрическая проницаемость которых уменьшается с увеличением частоты? Есть целый ряд таких конденсаторов!

Вас может удивить простой вопрос: что же такое на самом деле емкость? Еще и емкость будет зависеть от частоты. Дается номинальная емкость конденсатора, например 1000pF на частоте 1 кГц, 100 кГц и может быть или 10 МГц? Зависимость емкости от частоты, только одна из многих, на самом деле очень важная. Но есть и другие.

Эквивалентная схема

На рисунке 1 вы найдете типичные эквивалентные модели постоянного конденсатора. Вы, наверное, видели эти рисунки где-то. Вы понимаете, точное значение отдельных компонентов? Я хочу как можно более просто, объяснить основные элементы. У меня когда-то было совершенно неправильное представление об их назначении, поэтому может быть, возможно, они вас то же введут в заблуждение.

Конечно, я понимал, что реальный конденсатор это не только емкость, но также включает в себя индуктивности проводников и некоторое их сопротивление. Мне казалось, что сопротивление Rp, быть измерено с помощью омметра. Между тем измерения омметром (даже точным цифровым) показали, что пленочный конденсатор или керамический не проводят тока. Казалось, что значение сопротивления Rp огромно и может быть им можно пренебречь, не моргнув глазом. И это было ошибкой!

Измеряется сопротивление постоянному току. Но это не наше сопротивление Rp эквивалентной схемы, сопротивление изоляции определяется только в каталогах или Ris Рiz; его значение на самом деле десятки и сотни МОм.

(Иногда вместо сопротивления изоляции указывают постоянную времени C · Riz имеющую значение, по крайней мере, несколько десятков тысяч секунд, т.е. несколько часов. (После этого времени заряженный конденсатор сам разрядиться током утечки).

Так что же это на рисунке 1? Схема отображает ситуацию, когда ток переменный!

Здесь мы возвращаемся к диэлектрическими свойствами. Все диэлектрики состоит из нескольких частиц, имеющих атомы и молекул (вакуум не является исключением, и хотя там феномен создания виртуальных частиц и античастиц). Эти элементарные составляющие материи имеют электрические свойствами, как результат существования электрического заряда и пространственного распределения этого заряда. После применения внешнего электрического поля в диэлектрике происходит, изменения ориентации порядка молекул вещества. При изменении интенсивности и направления электрического поля, эти молекулы переориентируются неоднократно. В результате этого процесса теряется часть энергии электрического поля конденсатора – выделяется тепло. Помните, однако, что эти потери происходят не в статическом состоянии, при постоянном токе, а только с переменным током. Но достаточно они велики, что бы о них помнить? Как оказалось, потери во многих схемах не могут быть проигнорированы.

Но как описать такие потери? Мы знаем, что преобразования электрической энергии в тепловую происходит, как правило, в резисторах. Для этого и служит на эквивалентной схеме резистор который выражает потери в диэлектрике. Это и есть наше сопротивление Rр на рисунке 1!

Строго говоря, реальный конденсатор еще имеет некоторое сопротивление проводов и тех же обкладок. Таким образом, на более точной эквивалентной схеме рисунок 1с рядом с нашим Rp последовательно Rs. Индуктивность Ls, которая состоит из индуктивностей проводников и обкладок.

Схемы на рисунке 1a и 1c могут ввести некоторую путаницу, кажется что резистор параллельный емкости это сопротивления постоянному току или сопротивления изоляции. Поэтому разумно изображать любые потери конденсатора так, как показано на рисунке 1b и говорить только о последовательном сопротивления (любой) потери. Такое, часто бывает. Например, помимо нормальных "электролитов" встречаются подобные (и более дорогие) называемые "с низким ESR". Теперь, эти таинственные ESR это, общие потери сопротивления - эквивалентное последовательное сопротивление.

Однако имейте в виду, что для данного конденсатора сопротивление потерь не является постоянной и зависит от температуры, частоты а иногда даже от приложенного напряжения.

Вы можете спросить, почему в каталогах, как правило, не говориться об этом сопротивлении потерь? Оно указывается, но, как правило, в несколько оригинальной форме.

Это сопротивление указывается скрытым параметром, называемый тангенс угла потерь. Почему тангенс и какого угла?

Если вы столкнулись в школе с комплексными числами, вы знаете, как представить графически общий импеданс (комплексное сопротивление) последовательной цепи RC. Если вы не знаете, не унывайте - дело не безнадежное. Если вы хотите, я напишу несколько слов о комплексных числах - это не так трудно, как обычно кажется.

Как бы то не было, вы знаете, что в результирующее сопротивление (импеданс) для переменного тока состоит из пассивного сопротивления (реактивного) и нашего сопротивления ESR. Сопротивление не является простым, выраженное в омах это сумма реактивного сопротивления и сопротивление ESR. Компоненты складываются, как показано графически на рисунке 2

Не вдаваясь в дальнейшие подробности, чтобы получить формулу, тангенса угла, равен отношению активного сопротивления и реактивного сопротивления конденсатора ESR:

Зная значения тангенса, можно рассчитать активное сопротивление RS:

Чем больше значение tgd, тем хуже конденсатор.

Хорошо, но важно ли это для практики?

Для начинающих, любителей редко. Но вы все еще хотите понять, что вы сделали не так, и .. почему схема не хочет работать.

Вы никогда не задумывались, может, или небольшой конденсатор проводить переменный ток большого значения?

Рисунок 3. Последовательное сопротивление ESR снижает эффективность фильтрации на высоких частотах. На этих частотах конденсаторы имеют общее сопротивление (импеданс гораздо больше , чем реактивное для емкости. На рисунке 3(а) показана схема фильтра, на рисунке 3(б) эквивалентная схема на низкой частоте и на рисунке 3(в) эквивалентная схема на высоких частотах.

На первый взгляд, нет никаких противопоказаний, в конденсаторах ток опережает напряжение и не вызывает там активных потерь. Интуитивно, однако, вы чувствуете, что что-то не так. В самом деле, теперь вы знаете - все зависит от ESR! Но в любом реальном конденсатор при переменном токе имеются некоторые потери мощности (в диэлектрике, сопротивлении проводников) - так что конденсатор будет нагреваться.

Неужели вы не знали об этом?

Если применить конденсатор в фильтра не достаточной емкости ("электролит" сглаживающий напряжение) в импульсном источнике питания на частоте порядка десятков килогерц, или слишком маленький конденсатор в цепи антенны передатчика с мощностью несколько десятков ватт, переменный ток, протекающий через этот конденсатор может привести к его повреждению или, по крайней мере, сократить срок его службы.

В большинстве типичных применений не придется беспокоиться, но если Вы будете ставить конденсаторы в цепи переменного тока большой мощности, обязательно ознакомьтесь с каталогом и проанализируйте данные, содержащиеся в нем.

Рисунок 4. В связи с существованием последовательного эквивалентного сопротивление ESR эффективность развязки питания гораздо меньше, чем в теории фильтрация от пульсаций блока питания. Так же ESR может быть причиной автоколебаний питающего напряжения на делителе R ESR. Принципиальной схеме (a) приведена эквивалентная схема (б) и упрощенная эквивалентная схема для высоких частот (с).

В фирменных каталогах приводятся графики допустимых переменных токов или эквивалентных параметров. Это относится не только к «электролитам» по природе предназначенных для работы при больших токах. Та же проблема возникает в пленочных конденсаторах и керамических. Хороший каталог всегда содержит данные по этому вопросу, но они могут быть в различных формах.

Рисунок 5. Сопротивление ESR снижает эффективность блокирования переменных сигналов. Компоненты с более высокими частотами не полностью развязываются на землю из-за ESR. Принципиальной схеме (а) показана эквивалентная схема (б) и упрощенная эквивалентная схема для высоких частот (с).

Сопротивление проявляется не только в силовых цепях. Если вы используете конденсаторы для развязки или для фильтров помните, что сопротивление потерь снижает эффективность развязки, при создании резистивных делителей на высоких частотах. Это показано на рисунках 3 .. 5. Конечно, не получить такого подавления нежелательных сигналов, которое являются результатом расчетов на бумаге.

Обратите внимание, это применяется в любой схеме, напряжение питание развязывается конденсаторами (рис. 4). Теперь вы понимаете, почему в практических системах используются два конденсатора - один "электролит" второй керамический.

Кроме того, при проектировании резонансных контуров с высокой добротностью в некоторых случаях, к счастью очень редко, необходимо учитывать не только потери на катушке, но и потери на конденсаторе.

Индуктивность конденсаторов

В дополнение к активным потерям в конденсаторах необходимо учитывать индуктивность проводников. Емкость конденсатора индуктивностью образуют резонансный контур LC.

Ну и что? Рассчитаем, какое реактивное сопротивление должно быть у конденсатора 1 мкФ на частоте 100 МГц. Вы знаете формулу:

От сюда вывод - любой тип конденсаторов предназначен для работы в определенном диапазоне частот.

Как вы могли догадаться наименьшая индуктивность у безвыводных керамических конденсаторов, широко использующихся для поверхностного монтажа. Такие маленькие конденсаторы, как правило, серого или коричневого цвета, называют чипами от английского названия чип. Некоторые из них могут работать на частотах порядка одного гигагерца.

Керамические выводные конденсаторы имеют индуктивность наногенри, поэтому они устанавливаются как можно ближе к плате. Пленочные конденсаторы естественно имеют большую индуктивность от нескольких единиц и до нескольких десятков наногенри в зависимости от размера и дизайна.

В случае электролитических конденсаторов не говорят о индуктивности, по другим причинам, они применяются при частоте не более сотни килогерц и индуктивность проводов не имеет значения.

Для получения более подробной информации я даю вам в следующем эпизоде??.

Стабильность температуры, воздействие влаги, старение

Вопрос о стабильности температуры корпуса, вы наверное, хорошо знаете - с изменением емкости изменяется емкость. Это очевидно

Мало кто знает, что на емкость конденсатора влияет ... влажность. Казалось бы, что в закрытом, или даже в герметичном пластиковом корпусе в конденсатор влага не попадет – но правда другая.

Не волнуйтесь, это так на запас, в радиолюбительской практике это редко имеет значение. Однако, если вы использовали пленочные конденсаторы в цепях требующих особенно высокой точности, не стоит забывать о влиянии влажности.

А стареют ли конденсаторы?

Вы хорошо знаете, что электролитические конденсаторы очень не стабильны – здесь не стоит рассчитывать на постоянство емкости. Оказывается, что некоторые типы конденсаторов, стабильные сами по себе, но не знаю, почему иногда немного изменяют свою емкость – это явление называется дрейфом. Конечно, опять же, виноват диэлектрик.

Резюме

Возможно, после прочтения предыдущего материала вы понимаете, почему некоторые из ваших схем не будет работать должным образом. Я пытался объяснить, что конденсаторы это не только емкость. Есть и другие важные параметры.

Некоторые начинающие электроника пытается выбрать необходимую емкость конденсатора например для резонансного контура с точностью до долей процента. Перебирая несколько конденсаторов той же номинальной величины, чтобы найти нужный. Другим кажется что они умней: берут один конденсатор с чуть меньшей емкостью и подключают параллельно другой, что бы емкость была такая, какая нужна. Измеряемая емкость может быть идеальная. Потом такие деятели сильно удивляются, потому что позже емкость «в упаковке», изменяются да же на несколько процентов.

Ну и что? Они забыли о процессе старения, влияние температуры, влажности, в зависимости емкости от частоты и т.д.! Вы можете не знать, что даже нормальный нагрев во время пайки может навсегда изменить емкость конденсатора.

Не делайте этих ошибок! Чудеса не проходят - вы должны принять во внимание изменения емкости. В следующем месяце мы поговорим, о том какие конденсаторы нужно применять. Я объясню, в какой ситуации, на что нужно обратить внимание.

И это все на сегодня.