Зміст:
- Як працює конденсатор: історія лейденської банки
- Навіщо в конденсаторі потрібен діелектрик
- Маркування та технічні характеристики конденсаторів
Треба сказати, що з тих пір, як фон Кляйст – не воєначальник, а священик – вирішив потримати в руці банку з водою і опущеним туди електродом, минуло чимало часу. А тому конструкцій конденсаторів сьогодні існує досить багато. Ми не обіцяємо розглянути їх всі, але дамо поняття про такі речі, як принцип роботи конденсатора і його технічні характеристики. Сподіваємося, що огляд вийде вдалим.
Як працює конденсатор: історія лейденської банки
Простіше за все почати зі статичного заряду. Було відзначено, що провідник здатний накопичувати на своїй поверхні електрика. Причому щільність розподілу однакова по всій площі. В цьому ключова відмінність металів від діелектриків, у яких заряд накопичується на малій площі. Носії струму В металах прагнуть зайняти крайнє положення за рахунок того, що відштовхуються один від одного. В результаті і скупчуються рівномірно по всій поверхні.
На цьому принципі навіть створені генератори, здатні накопичувати заряд потенціалом в декілька мільйонів вольт. При дотику до токонесущей частини людина просто испепелится. Аналогічно діють конденсатори. Вони складаються з провідників, площа яких сильно збільшена. А досягається це різними методами. Наприклад, в електролітичних конденсаторах алюмінієва фольга скочується рулоном. В результаті невеликий циліндр може містити багато метри металевої стрічки. (Див. також: Принцип роботи магнітного пускача і його технічні характеристики)
Різновиди конденсаторів
А тепер пояснимо, як це працює. Коли на металевій (і будь-якої провідної поверхні) з’являється заряд, то починається розподіл по поверхні. У 1745 році священик і юрист Евальд Юрген фон Клейст виявив, що, тримаючи в руках банку з водою, він може запасати всередині електрика. У цьому випадку долоню служить однією з провідних обкладок, а об’єм рідини (по зовнішній поверхні) іншого. Скло є діелектричним бар’єром. При зануренні в воду електрода носії прагнуть зайняти крайнє положення по всій поверхні. Через скло поле діє на долоню, де починаються схожі процеси (заряд притягує носії протилежного знака).
Пізніше ємність здогадалися обернути фольгою, і вийшла лейденська банку – перший дієздатний конденсатор на Землі, винайдений людиною. Це сталося після того, як Пітер ван Мушенбрук вражений силою отриманого в процесі досвіду ударом електрики. Йому стало зрозуміло, що такі досліди небезпечні, і рука повинна бути чимось замінена. Сам він писав, що другий раз би не став випробовувати долю так навіть заради королівства Франції. Данець Даніель Гралат був першим, хто здогадався поєднати лейденський банки паралельно, забезпечуючи більш високу ємність всій системі. Це вже було схоже на сучасний свинцевий акумулятор за задумом.
Це смішно, але подібні пристрої використовувалися аж до 1900 року, коли входить в ужиток радіозв’язок змусила шукати нові шляхи вирішення проблеми в плані того, що використовувалися порівняно високі частоти електричних сигналів. В результаті з’явилися перші паперові конденсатори, де масляниста полотно відділяло один від одного дві обкладки з згорнутої циліндром фольги. Поступово з розвитком виробництва в якості ізоляторів стали застосовуватися, наприклад, такі матеріали:
Але справжній прорив у конструюванні конденсаторів стався в той момент, коли люди здогадалися в якості діелектрика застосовувати шар оксиду на поверхні металу. Мова йде, звичайно ж, про електролітичних конденсаторах. У них один з циліндрів фольги покривався оксидом. Найчастіше для цього використовується травлення (навмисне окислення матеріалу під дією агресивних середовищ), але якщо вимоги до технічних характеристик великі, застосовується анодування. Що дозволяє одержати більш гладку поверхню, щільно прилеглу до електрода протилежного знака.
В чому ідея? Обкладками служать оксидована фольга і папір, просочений електролітом. Вони розділені тільки найтоншим шаром оксиду, що дозволяє отримати приголомшливі ємності в одиниці і десятки микрофарад на порівняно малому обсязі. У цьому випадку технічні характеристики конденсаторів просто приголомшливі. Другий же рулон фольги з алюмінію служить простим провідником електрики, саме він є одним із контактів. Оксид ж володіє однією дивною властивістю – проводить струм лише в одному напрямку. Тому при підключенні електролітичного конденсатора не тією стороною відбувається вибух.
Тобто замість того, щоб служити діелектриком, розділяючий шар стає провідником. Через різке підвищення температури в цій області починається лавиноподібна реакція між металом і електролітом, за рахунок чого конденсатор взбухает. Це бачили багато радіоаматори, і не варто розповідати, що в цьому процесі мало веселого. (Див. також: Технічні характеристики люмінесцентних ламп і світильників)
Навіщо в конденсаторі потрібен діелектрик
Було помічено, що якщо помістити між пластинами конденсатора ізолюючий матеріал, то ємність зростає. Довго ламали голови над цим вчені мужі, поки не було розкрито поняття діелектричної проникності. Виявляється, згідно з теоремою Гаусса можна пов’язати з ємністю конденсатора напруженість поля між обкладками. І виходить так, що ізолятор відповідає на накопичення зарядів металами, збираючи на своїй поверхні носіїв протилежного знака. Ми вважаємо, читачі вже здогадалися, що ті, в свою чергу створюють поле, спрямоване назустріч, що і викликає ослаблення, підвищує місткість усієї конструкції.
Діелектрик в конденсаторі
Потрібно сказати, що за таблицями папір і кераміка виходять не найкращими матеріалами. Значення для сірчаної кислоти досягають 150 одиниць, що майже на два порядки вище. Причому в чистому вигляді ця речовина є ізолятором. Тому, можливо, настане день, коли принцип дії конденсатора буде реалізований не розчином, а сірчаною кислотою в чистому вигляді. Ми ще не добралися до свинцевих акумуляторів, але в них зовсім по-іншому запасається енергія. Таким чином, розглянуті варіанти не єдині, але дуже поширені.
Глобально конденсатори можна поділити на два сімейства:
Ми вже розповідали, як влаштовані перші. Різниця може полягати в матеріалі обкладок. Наприклад, оксид титану має діелектричну проникність близьку до сотні. Зрозуміло, що такий матеріал краще для створення висококласних виробів. Але вартість кусається. До відома, титанат барію має ще більш високу діелектричну проникність. Отже, практично будь-конденсатор складається з обкладок. А діелектрик служить для збільшення ємності виробу. Найчастіше найкращі моделі конденсаторів містять коштовні метали, таких як паладій, платина та ін
Маркування та технічні характеристики конденсаторів
Слід знати, що маркування конденсаторів зазвичай містить такий параметр, як максимально допустиме робоче напруження. Позначення наводиться згідно ГОСТ 25486, а потім уточнення йдуть за галузевим стандартам. Наприклад, номінал проставляється по ГОСТ 28364. А окремого стандарту з електролітичним конденсаторів знайти практично неможливо. Однак ми це зробили, а нашим читачам пропонуємо заглянути в ГОСТ 27550. Зокрема, на корпусі всі види конденсаторів мають таке маркування:
Маркування на поверхні
- Логотип виробника.
- Тип конденсатора.
Тут складно що-небудь сказати точно, але більшість електролітичних конденсаторів має маркування у вигляді літери К і декількох цифр, часто розділених дефісом. Відповідно до цього можна знайти в інтернеті відповідний стандарт або інші матеріали.
- За правилами ГОСТ 28364 номінал складається з 3, 4 або 5 символів, одним з яких є буква.
Зокрема, п означає приставку піко, н – нано, мк – мікро. Якщо в номіналі є дробова частина, то вона йде на останньому місці, після літери. Ємнісний ряд (неповний) значень наводиться у тому ж ГОСТ 28364 на прикладах. Виконуються норми цього стандарту на практиці? Тільки не для електролітичних конденсаторів. Це викликано, мабуть, великими номіналами. Тому запросто на якому-небудь К50-6 можна зустріти напис на зразок 2000 мкФ. Згідно ГОСТ 28364 це мало б виглядати на зразок 2м0. Для електролітичних конденсаторів у цієї частини застосовується ГОСТ 11076. У ньому поряд з кодованими позначеннями (наприклад, по ГОСТ 28364) допускається звичайна запис (2000 мкФ). Ви бачите, що призначення конденсаторів часто визначає і спосіб їх маркування. Так наприклад, електролітичні часто служать складовою частиною фільтрів по ланцюгу живлення. Тут потрібен великий номінал, а функціональність сильно відрізняється від того, як працює конденсатор розділових гілках і ланцюгах змінного струму.
- Якщо за минулими нормами робоча напруга в маркуванні конденсатора йшов на першому місці, то в сучасних моделях зазвичай все якраз навпаки. Позначення стоїть у вольтах.
Позначення в Вольтах
І це саме робоча напруга, а не пробивна. Слід знати, що конденсаторні установки легко згорають при підвищених значеннях. Чим тонше шар діелектрика при інших рівних, тим простіше це відбувається. У цьому сенсі існує протиріччя між дистанцією між обкладками (чим менше, тим вище за номінал) і бажанням підвищити робочу напругу.
- Допустиме відхилення ємності часто не вказується.
Крім того, в процесі старіння номінал йде за робочі межі. Можна сказати, що те, для чого потрібен конденсатор, вже не виготовиш за допомогою таких прострочених виробів. Однак радіоаматори можуть зробити по-своєму. Наприклад, продзвонити конденсатор, визначити його новий номінал за допомогою тестера і користуватися на свій страх і ризик.
- Літера повинна стояти для конденсаторів усекліматичного виконання.
- Перед тим, як зарядити конденсатор, спробуйте зрозуміти, чи є він полярним.
В іншому випадку виріб може вибухнути. І, зрозуміло, полярний конденсатор ні в якому разі не можна включати в ланцюг змінного струму. Єдиного типу маркування на цей рахунок не передбачено, але обмовляється, що вимоги можуть бути вказані у галузевих технічних умовах. Наприклад, це можуть бути знаки плюса і мінуса. На імпортних виробах негативний полюс зазвичай позначається світлою смугою на темному корпусі.
- Позначення довершується датою випуску (місяць, рік) і ціною.
Зрозуміло, що останнє за сучасних економічних умовах вже не актуально. Можна, наприклад, вказати – до анексії Криму стільки-то, після – таке значення. Зрозуміло, можна було б застосувати у.е., як це у нас було прийнято один час, але виробники йдуть простішим шляхом – не звертають уваги на такі дрібниці, як вартість.
Зверніть увагу, що конденсатор може тривалий час зберігати свій заряд. Це загрожує небезпекою отримати удар струмом. Будь-ремонтник, який працює з радіоапаратурою, знає, що до того, як лізти всередину імпульсного блоку живлення, потрібно подумати про те, як розрядити конденсатор. Найчастіше це робиться за допомогою забороненої стандартами лампочки, укрученою в патрон. Два оголених проводів замикають на токонесущие частини ланцюга, і імпульс на короткий час запалює спіраль. До речі, цю ж конструкцію часто вставляють замість запобіжників, щоб зрозуміти, чи великий струм у цьому ланцюзі (означає наявність несправності і необхідність в подальшій діагностиці).
Виявлення несправності конденсатора вимагає деякої вправності, але при наявності специфічних знань цілком здійсненно. Потрібно для цього мати на руках хоча б найпростіший мультиметр. Ми вже розповідали про те, як перевірити конденсатор за допомогою тестера, тому направляємо читачів на відповідний огляд, а самі з дозволу поважної публіки поспішаємо відкланятися.