Кондензатори за манекени
Ако редовно създавате електрически вериги, вероятно сте използвали кондензатори. Това е стандартен компонент на веригата, точно като резистор, който просто взимате от рафта, без да се замисляте. Ние използваме кондензатори за изглаждане и разделяне на мощността, блокиране на постоянен ток, вериги за синхронизиране и други приложения.
Но кондензаторът не е просто балон с два проводника и няколко параметъра - работно напрежение и капацитет. Има огромен набор от технологии и материали с различни свойства, използвани за създаване на кондензатори. И докато в повечето случаи почти всеки кондензатор с подходящ капацитет ще свърши работа за всяка задача, доброто разбиране на това как работят тези устройства може да ви помогне да изберете не само правилния, но и най-добрия. Ако някога сте имали проблем с температурната стабилност или задачата да намерите източника на допълнителен шум, ще оцените информацията в тази статия.
Да започнем просто
По-добре е да започнете просто и да опишете основните принципи на кондензаторите, преди да преминете към реални устройства. Идеалният кондензатор се състои от две проводящи плочи, разделени от диелектрик. Зарядът се събира върху плочите, но не може да тече между тях - диелектрикът има изолационни свойства. Така че кондензаторът натрупва заряд.
Капацитетът се измерва във фаради: кондензатор с един фарад произвежда напрежение от един волт, ако съдържа заряд от един кулон. Подобно на много други единици SI, той има непрактичен размер, така че освен суперкондензаторите, за които няма да говорим тук, вероятно ще се натъкнете на микро-, нано- и пикофаради. Капацитетът на всеки кондензатор може да се изведе от неговите размери идиелектрични свойства - ако се интересувате, формулата за това можете да намерите в Wikipedia. Не е необходимо да го наизустявате, освен ако не се подготвяте за изпит - но съдържа един полезен факт. Капацитетът е пропорционален на електрическата константа εr, което доведе до предлагането на пазара на различни кондензатори, използващи различни диелектрични материали за постигане на по-голям капацитет или подобряване на характеристиките на напрежението.
Паразитна индуктивност и съпротивление на реален кондензатор
Има един проблем с използването на диелектрици в кондензатори, заедно с факта, че диелектрик с правилните характеристики има неприятни странични ефекти. Всички кондензатори имат малки паразитни съпротивления и индуктивности, които понякога могат да попречат на тяхната работа. Електрическите константи варират в зависимост от температурата и напрежението, пиезоелектричеството или шума. Някои кондензатори са твърде скъпи, някои имат условия на повреда. И сега стигаме до основната част на статията, в която ще говорим за различните видове кондензатори и за техните свойства, полезни и вредни. Няма да покрием всички възможни технологии, но ще опишем повечето от често срещаните.
Алуминиевите електролитни кондензатори използват анодизиран слой върху алуминиев лист като една диелектрична плоча и електролит от електрохимична клетка като друга плоча. Наличието на електрохимична клетка ги прави полярни, тоест постоянното напрежение трябва да се прилага в една посока, а анодизираната плоча трябва да бъде анод или плюс.
На практика плочите им се изработват под формата на сандвич от алуминиево фолио, увит в цилиндър и разположен в алуминиева кутия. Работното напрежение зависи отдълбочина на анодизирания слой.
Електролитните кондензатори имат най-големия капацитет сред обикновените, от 0,1 до хиляди микрофарада. Поради плътното опаковане на електрохимичната клетка, те имат голяма еквивалентна серийна индуктивност (ESI или ефективна индуктивност), поради което не могат да се използват при високи честоти. Те обикновено се използват за изглаждане на мощността и отделяне, както и за свързване на аудио честоти.
Повърхностно монтиран танталов кондензатор
Танталовите електролитни кондензатори се изработват под формата на синтерован танталов анод с голяма повърхност, върху който се отглежда дебел оксиден слой, а след това като катод се поставя електролит от манганов диоксид. Комбинацията от голяма повърхностна площ и диелектрични свойства на танталовия оксид води до висок капацитет на обем. В резултат на това такива кондензатори излизат много по-малко от алуминиевите кондензатори със сравним капацитет. Подобно на последните, танталовите кондензатори имат полярност, така че постоянният ток трябва да тече точно в една посока.
Техният наличен капацитет варира от 0,1 до няколкостотин микрофарада. Те имат много по-ниска устойчивост на изтичане и еквивалентно серийно съпротивление (ESR), поради което се използват при тестване, оборудване и аудио приложения от висок клас, където тези свойства са полезни.
В случай на танталови кондензатори е особено необходимо да се следи състоянието на повреда, случва се да се запалят. Аморфният танталов оксид е добър изолатор, а в кристална форма става добър проводник. Неправилното използване на танталов кондензатор - например прилагането на твърде голям пусков ток можеводят до преминаване на диелектрика в друга форма, което ще увеличи тока, преминаващ през него. Вярно е, че свързаната с пожара репутация идва от по-ранните поколения танталови кондензатори и подобрените производствени методи доведоха до по-надеждни продукти.
Цяло семейство кондензатори използват полимерни филми като диелектрици и филмът или е поставен между усукани или преплетени слоеве от метално фолио, или има метализиран слой на повърхността. Работното им напрежение може да достигне до 1000 V, но те нямат голям капацитет - това обикновено е от 100 pF до единици микрофаради. Всеки тип фолио има своите плюсове и минуси, но като цяло цялото семейство има по-нисък капацитет и индуктивност от електролитните. Поради това те се използват във високочестотни приложения и за разделяне на системи с електрически шум, както и в системи с общо предназначение.
Полипропиленовите кондензатори се използват във вериги, изискващи добра термична и честотна стабилност. Те се използват и в енергийни системи, за потискане на EMI, в системи, използващи променливи токове с високо напрежение.
Полиестерните кондензатори, въпреки че нямат такава температурна и честотна характеристика, са евтини и издържат на високи температури при запояване за повърхностен монтаж. Като такива, те се използват във вериги, предназначени за използване в некритични приложения.
Кондензатори от полиетилен нафталат. Те нямат стабилни температурни и честотни характеристики, но могат да издържат на много по-високи температури и напрежения в сравнение с полиестера.
Полиетиленсулфидните кондензатори имат температурни и честотни характеристики на полипропилен и в допълнениеиздържат на високи температури.
В старото оборудване можете да се натъкнете на поликарбонатни и полистиренови кондензатори, но сега те вече не се използват.
Историята на керамичните кондензатори е доста дълга - те се използват от първите десетилетия на миналия век до наши дни. Ранните кондензатори бяха един слой керамика, метализиран от двете страни. По-късните също са многослойни, където се разпръскват плочи с метализация и керамика. В зависимост от диелектрика капацитетът им варира от 1 pF до десетки микрофаради, а напреженията достигат киловолта. Във всички електронни индустрии, където се изисква нисък капацитет, могат да се намерят както еднослойни керамични дискове, така и многослойни повърхностно монтирани кондензатори.
Най-лесният начин за класифициране на керамичните кондензатори е по диелектрици, тъй като те придават на кондензатора всички свойства. Диелектриците се класифицират според трибуквени кодове, където тяхната работна температура и стабилност са криптирани.
C0G по-добра стабилност в резервоара по отношение на температура, честота и напрежение. Използва се във високочестотни вериги и други високоскоростни вериги.
X7R нямат толкова добри характеристики на температура и напрежение, поради което се използват в по-малко критични случаи. Обикновено това е отделяне и различни универсални приложения.
Y5Vs имат много по-висок капацитет, но тяхната температура и напрежение са дори по-ниски. Също така се използва за развързване и различни приложения с общо предназначение.
Тъй като керамиката често има пиезоелектрични свойства, някои керамични кондензатори проявяват и микрофоничен ефект. Ако сте работили с високи напрежения и честоти в звуковия диапазон,например, в случай на лампови усилватели или електростатични, може да чуете кондензаторите да "пеят". Ако сте използвали пиезоелектричен кондензатор, за да осигурите стабилизиране на честотата, може да откриете, че неговият звук е модулиран от вибрациите на заобикалящата го среда.