Конденсаторы являются одними из самых распространённых компонентов в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), составляя около четверти всех элементов на принципиальной схеме. Их основная функция — накопление электрического заряда на металлических обкладках при подаче напряжения, что количественно характеризуется ёмкостью. Простейшая модель — две проводящие пластины, разделённые диэлектриком. Ёмкость такого плоского конденсатора рассчитывается по формуле, представленной ниже.
Классификация и основные типы конденсаторов
Конденсаторы делятся на две большие группы: общего и специального назначения. К первой относятся низкочастотные и высокочастотные модели. Вторая группа включает в себя более специализированные устройства: высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические, а также конденсаторы с управляемой ёмкостью, такие как варикапы и вариконды.
Классификация может проводиться по нескольким ключевым признакам:
- По функциональному назначению: контурные, разделительные, блокировочные, фильтровые и другие.
- По возможности изменения ёмкости: постоянные, переменные и подстроечные (полупеременные).
- По материалу диэлектрика: с твёрдым, газообразным или жидким диэлектриком. Стоит отметить, что в современной РЭА конденсаторы с жидким диэлектриком практически не применяются.
- По способу монтажа: для навесного или печатного монтажа, а также для использования в микромодулях и интегральных схемах.
Типовые конструкции конденсаторов
Конструктивное исполнение конденсаторов разнообразно и зависит от их назначения и требуемых параметров.
Пакетная конструкция характерна для слюдяных, стеклоэмалевых и некоторых керамических конденсаторов. Она представляет собой пакет из чередующихся тонких пластин диэлектрика (например, слюды толщиной ~0.04 мм) и металлических обкладок. Обкладки соединяются в общий контакт с помощью фольги, после чего весь пакет прессуется, снабжается выводами и покрывается защитной эмалью. Ёмкость прямо пропорциональна количеству пластин в пакете, которое может достигать сотни. Формула для расчёта ёмкости такого конденсатора приведена ниже.
Трубчатая конструкция используется в высокочастотных керамических конденсаторах. Она представляет собой керамическую трубку с нанесёнными на внутреннюю и внешнюю поверхности серебряными обкладками. Выводы присоединяются к обкладкам, а для изоляции между ними создаётся специальный поясок. Вся конструкция покрывается защитной изолирующей плёнкой.
Дисковая конструкция также характерна для высокочастотных керамических конденсаторов. Это простой керамический диск с металлизированными обкладками с обеих сторон и припаянными выводами.
Литая секционированная конструкция лежит в основе современных монолитных многослойных керамических конденсаторов (MLCC), которые широко применяются, в том числе в интегральных схемах.
Рулонная конструкция применяется для создания бумажных и плёночных низкочастотных конденсаторов большой ёмкости. Она формируется путём сворачивания в рулон ленты диэлектрика (например, бумаги) и металлической фольги или металлизированной плёнки.
Регулируемые конденсаторы: подстроечные и переменные
Подстроечные конденсаторы предназначены для разовой или редкой регулировки параметров схемы при её настройке, после чего их ёмкость должна оставаться стабильной. Они бывают с воздушным или твёрдым диэлектриком. Конструктивно они обычно состоят из статора (неподвижной части) и ротора (подвижной части). Изменение ёмкости достигается за счёт регулировки площади перекрытия обкладок. Например, в керамическом подстроечном конденсаторе (тип КПК) на статор и ротор нанесены серебряные электроды полукруглой формы. Вращение ротора изменяет ёмкость от единиц до десятков пикофарад.
Подстроечные конденсаторы с воздушным диэлектриком имеют схожий принцип действия, но состоят из набора пластин статора и ротора, закреплённых на керамическом основании.
Конденсаторы переменной ёмкости (КПЕ) предназначены для плавного и многократного изменения ёмкости в процессе эксплуатации, например, для настройки радиоприёмника. В отличие от подстроечных, они имеют большее количество пластин ротора и статора для получения большей максимальной ёмкости (порядка 500 пФ) и, как правило, используют воздушный диэлектрик.
Основные технические параметры
Номинальная ёмкость и допуск. Ёмкость конденсаторов, применяемых в РЭА, варьируется от единиц пикофарад до тысяч микрофарад. Номинальные значения стандартизированы и выбираются из установленных рядов (Е6, Е12, Е24 для высокочастотных и свои ряды для электролитических и бумажных конденсаторов). Допустимое отклонение от номинала определяет класс точности конденсатора. Например, контурные конденсаторы требуют высокой точности (классы 00, 0, I), в то время как для блокировочных или фильтровых допустимы более широкие допуски (классы II, III или даже IV-VI).
Рабочее и испытательное напряжение. Рабочее напряжение — это максимальное напряжение, которое конденсатор может выдерживать длительное время. Испытательное напряжение — более высокое напряжение, применяемое для кратковременной проверки электрической прочности. Для повышения надёжности схемы конденсаторы обычно используют при напряжении ниже номинального.
Сопротивление изоляции. Этот параметр характеризует качество диэлектрика и определяет величину тока утечки. Низкое сопротивление изоляции может нарушить работу схемы. Современные конденсаторы могут иметь сопротивление изоляции до 10 000 МОм, но оно снижается при высокой температуре и влажности, поэтому многие модели имеют герметичные корпуса.
Температурная стабильность. Ёмкость конденсатора зависит от температуры из-за изменения свойств диэлектрика и геометрических размеров. Для высокочастотных конденсаторов эта зависимость линейна и характеризуется температурным коэффициентом ёмкости (ТКЕ), который часто маркируется цветом на корпусе. Для низкочастотных конденсаторов зависимость нелинейна, и их стабильность оценивается по предельному отклонению ёмкости в рабочем диапазоне температур (группы Н20, Н30, Н90).
Старение. Со временем параметры конденсатора могут изменяться. Этот процесс характеризуется коэффициентом старения, который показывает относительное изменение ёмкости за определённый период времени.
Потери энергии. В реальном конденсаторе часть энергии рассеивается в виде тепла из-за неидеальности диэлектрика (электропроводность, поляризационные потери). Это учитывается такими параметрами, как тангенс угла потерь (tg δ) или добротность (Q).
