Конденсаторы. Маркировка конденсаторов. SMD конденсаторы





В данной статье рассмотрены конденсаторы многих типов, их практическое применение, принцип действия, а также маркировка  конденсаторов, способы их соединения, SMD конденсаторы. Даны практические рекомендации по выбору электролитических конденсаторов.

Согласно статистики конденсаторы является лидерами среди всех электронных элементов по количеству содержания в печатных платах различных электронный устройств, даже опережают резисторы по этому показателю.

Конденсатор характеризуется способностью накапливать энергию электрического поля, а конструкция его чрезвычайно проста и представляет собой две металлические (токопроводящие) пластинки между которыми находится диэлектрик (рис. 1). В качестве диэлектрика применяется нетокопроводящий материал, обладающий определенными свойствами или воздух.

Конструкция конденсатора

Рис. 1 — Упрощенная конструкция конденсатора

Принцип действия конденсатора заключается в следующем. Если к одной пластинке подвести положительные заряды, а к другой отрицательные, то заряды разной полярности будут стремиться притянутся друг к другу. Но поскольку пластинки разделены диэлектриком, то заряды останутся на своих пластинках, то есть будут накапливаться на них. В этом и состоит основное свойство конденсатора (рис. 2).

Принцип действия конденсатора

Рис. 2 — Принцип действия конденсатора

Так как пластинки (их еще называют обкладками) конденсатора разделены нетокопроводящим материалом (диэлектриком), ток через него протекать не может. Постоянный ток в цепи с конденсатором протекает лишь во время его зарядки, то есть до тех пор, пока напряжение на обкладках не достигнет величины источника питания. Когда значение напряжения на конденсаторе достигнет значение источника питания, тогда прекратится зарядка конденсатора и ток в цепи перестанет протекать.

Если говорить более научно, то зарядка конденсатора прекращается тогда, когда все молекулы диэлектрика поляризуются.

Если к цепи с конденсатором приложить переменное напряжения, то в ней все время будет протекать переменный ток. Это объясняется тем, что конденсатор постоянно перезаряжается (молекулы диэлектрика поляризуются то в одном направлении, то в другом, в зависимости от знака приложенного напряжения), поскольку переменное напряжение изменяется как по направлению, так и по величине.

Из сказанного выше следует запомнить, что постоянный ток в цепи с конденсатором протекает только в момент его зарядки или разрядки. Переменное напряжение “вынуждает” конденсатор находится всегда в режиме заряда-разряда (перезаряда), поэтому переменный ток всегда как бы протекает через конденсатор.

Еще проще (но не совсем корректно): конденсатор «не пропускает» постоянный ток (представляет для него разрыв или бесконечно высокое сопротивление), а «пропускает» переменный ток (чем выше частота переменного тока, тем ниже сопротивление конденсатора току).

Конденсаторы имеют различную форму и размеры. Величина их колеблется от размеров головки спички до размеров холодильника. Однако в практике электронщиков наиболее часто встречаются конденсаторы, общий вид которых показан на рис. 3.

Конденсаторы. Внешний вид

Рис. 3 – Конденсаторы. Внешний вид

Емкость конденсатора

Основным параметром конденсатора является емкость С (от английского слова Capacitance – емкость). Емкость конденсатора С зависит от площади его пластин S, расстояния между ними d и от типа применяемого диэлектрика ε

Формула емкости плоского конденсатора

Как видно из формулы, емкость конденсатора возрастает с увеличением площади пластин и снижается с увеличением расстояния между ними. Также емкость конденсатора во многом определяется и типом применяемого диэлектрика, а именного величиной его диэлектрической проницаемости ε, которая показывает во сколько раз заряд конденсатора с диэлектриком больше заряда конденсатора тех же размеров в вакууме. Следовательно ε безразмерная величина. Для воздуха ε = 1, для сухой бумаги ε = 2, для фарфора ε = 4,5, для конденсаторной керамики ε = 10…200. Исходя из этого, если вместо воздуха использовать бумагу, то емкость конденсатора вырастет в два раза при тех же размерах, если фарфор – в 4,5 раза, а если применять керамику, то емкость возрастет в 10…200 раз или, при заданной емкости, можно уменьшить габариты в почти пропорциональное число раз. Поэтому наибольшее применение в плоскостных конденсаторах нашла керамика (рис. 4).

Конденсаторы керамические

Рис. 4 – Керамические конденсаторы

Единица измерения емкости – фарад (Ф). Названа в честь английского физика Майкла Фарадея. Это очень большая единица измерения, поэтому на практике чаще пользуются меньшими единицами измерения емкости – микрофарад (мкФ), нанофарад (нФ), пикофарад (пФ) (табл. 1).

Таблица 1 – Величины емкости

Величины емкости конденсаторов

Различают конденсаторы постоянны, переменные и подстроечные.

Постоянные конденсаторы

Постоянны – это конденсаторы емкость которых нельзя изменить без вмешательства в их конструкцию. Постоянные конденсаторы имеют огромное разнообразие как по конструктивным, так и по функциональным признака. Наиболее часто встречаются конденсаторы, общий вид которых показан на рис. 5.

Конденсаторы постоянной емкости

Рис. 5 — Конденсаторы постоянной емкости. Внешний вид

Переменные конденсаторы

Переменные конденсаторы предназначены для изменения емкости непосредственно в процессе работы электронной аппаратуры. Наиболее характерным примером служит конденсатор резонансного колебательного контура приемника. Вращение рукоятки приемника приводит к изменению емкости конденсатора и соответственно к изменению резонансной частота приемка. За счет этого мы переключаемся из одной радиостанции на другую. Однако сегодня такие конденсаторы практически полностью вытеснены варикапами, которые имеют гораздо меньшие габариты, а емкость их изменяется в зависимости от величины приложенного напряжения. Общий вид конденсатора переменной емкости показан на рис. 6, а  варикапов на рис. 7.

Конденсатор переменной емкости

Рис. 6 — Внешний вид конденсатора переменной емкости

Варикапы. Внешний вид

Рис. 7 — Варикапы. Внешний вид

Подстроечные конденсаторы

Подстроечные конденсаторы (рис. 8) используют для точной настройки аппаратуры. Емкость их изменяют лишь в процессе подстройки аппаратуры. Наиболее часто такие конденсаторы применяются для регулирования частоты колебательных контуров, частоты различных генераторов, а также используются для калибровки измерительных щупов осциллографов и других измерительных приборов с целью компенсации собственной емкости самого щупа.

Подстроечные конденсаторы

Рис. 8 — Подстроечные конденсаторы

Электролитические конденсаторы

В отдельную группу можно выделить электролитические конденсаторы (рис. 9). Хотя они и относятся к классу конденсаторов постоянной емкости, но все же имеют некоторые характерные особенности. Главной особенностью является большая емкость конденсатора при малых его габаритах. Другое отличие состоит в том, что такие конденсаторы имеют полярность. Один вывод является положительным “+”, а другой – отрицательным “-”. Поэтому при включении таких конденсаторов в электрическую цепь нужно обязательно соблюдать полярность! Иначе конденсатор выйдет из строя. Существуют и неполярные электролитические конденсаторы. Их можно использовать в цепях переменного тока. Однако преобладающее большинство среди электролитические конденсаторов составляют полярные конденсаторы. Они преимущественно используются в качестве сглаживающих фильтров в цепях выпрямленного напряжения.

Электролитические конденсаторы

Рис. 9 — Электролитические конденсаторы

Диэлектриком в таких конденсаторах служит оксидный слой, нанесенный на металлическую обкладку, которая подсоединяется к одному выводу конденсатора. Другим выводом является электролит или слой полупроводника.

В советских электролитических конденсаторах маркировался положительный вывод. На корпус возле этого вывода наносился знак “+”. В современных конденсаторах обозначается отрицательный вывод, возле которого ставится знак “-”, а сам вывод имеет меньшую длину чем положительный вывод (рис. 10).

Маркировка электролитических конденсаторов

Рис. 10 — Обозначение отрицательного вывода электролитического конденсатора

На корпусе электролитического конденсатора указываются три параметра: номинальная емкость, максимально допустимое напряжение и максимальная рабочая температура.

Всегда нужно помнить, что максимально допустимое напряжение (то, которое указано на корпусе конденсатора) должно быть больше напряжения, которое на него может быть подано в схеме. В противном случае увидите, как взрываются электролитические конденсаторы. Часто рекомендуют оставлять запас по напряжению не менее 20 %.



Запомните! Лучше взять конденсатор с большим допустимым напряжением.

По аналогии нужно следить и за максимальной рабочей температурой конденсатора.

 Маркировка конденсаторов

 Применяются несколько типов маркировки конденсаторов: цифирно-буквенная, цветовая и цифирная, а также комбинированная, например цифры с буквами обозначают одни параметры, а цвет корпуса или цветовая метка на нем указывают на иные параметры.

Цифирно-буквенная маркировка конденсаторов

При цифирно-буквенной маркировке цифры обозначают величину, а буквы размерность емкости конденсатора. На советских конденсатора буквы могут быть как русского (т. е. кириллица) алфавита либо латинского алфавитов. Например надпись 22n обозначает емкость конденсатора 22 нанофарад (нФ); 120p и 270p обозначают емкость 120 пикофарад (пФ) и 270 пФ соответственно (рис. 11).

Цифирно-буквенная маркировка конденсаторов

Рис. 11 – Цифирно-буквенная маркировка конденсаторов

Если на корпусе конденсатора нанесены только цифры, то они указывают емкость в пикофарадаф (рис. 12). Следует запомнить, что отправной величиной размерности емкости конденсатора при всех типах маркировки, если дополнительно не указывается приставка размерности, является пикофарад.

Цифирная маркировка конденсаторов

Рис. 12 – Маркировка конденсаторов: 1500 пФ и 33000 пФ соответственно

Цветовая маркировка конденсаторов

При “чисто” цветовой маркировке  (рис. 13) корпус конденсатора окрашивается в определенный цвет или (и) наносится цветная метка. В таком случае для расшифровки номинала конденсатора понадобится справочник.

Цветовая маркировка конденсаторов

Рис. 13 – Конденсаторы с цветовой маркировкой

Цветовая и цифирно-буквенная маркировка уже практически не применяются, особенно для малогабаритных конденсаторов. Сейчас широко используется цифирное кодирование, которое занимает значительно меньше места на корпусе конденсатора по сравнению с цифирно-буквенным, поэтому практичнее в применении.

Цифирное кодирование или маркировка конденсаторов

При цифирном кодировании используются три цифры. Первые две цифры указывают мантиссу, а третья множитель, т. е. количество нулей после первых двух цифр. Например, число 102 обозначает 10×102 и равно 1000 пикофарад (рис. 14). Как уже было сказано выше, отправной величиной в маркировке конденсаторов является пикофарад. Чисто 224 обозначает 22 и четыре нуля и равно 220000 пФ = 220 нФ = 0,22 мкФ. Номиналы конденсаторов принято называть в пикофарадах либо микрофарадах; “нанофарадами” и “милифарадами” редко пользуются в обиходе.

Цифирное кодирование конденсаторов

Рис. 14 — Цифирное кодирование конденсаторов

Кроме емкости конденсаторы имеют еще ряд важных характеристик, некоторые из них наносятся на корпус в виде маркировки, остальные можно узнать только воспользовавшись соответствующим справочным материалом. К таким характеристикам относятся: рабочее напряжение, температурный коэффициент емкости, тангенс угла потерь, сопротивление изоляции и др.

Рабочее напряжение конденсатора

Рабочее напряжение – наибольшее напряжение между обкладками конденсатора, при котором он нормально работает длительное время. Это напряжение нельзя превышать поскольку произойдет пробой диэлектрика и конденсатор выйдет из строя. Как правило, указывается напряжение для постоянного тока. При использовании конденсатора в сети переменного тока, например 220 В, рабочее напряжении конденсатора должно быть не менее 220×1,41 = 311 В. 220 В – это действующее напряжение сети. Именно действующее напряжение указывается на корпусах бытовых электрических и электронных приборов, на розетках. К тому же мультиметром мы измеряем только действующее значение переменного напряжения. Для определения амплитудного значения нужно действующее умножить на √2 , т. е. на 1,41.

На конденсаторах, работающих в цепях относительно высокого напряжения, всегда наносится маркировка допустимой величины напряжения. К таким конденсаторам относятся электролитические, пленочные, бумажные и металлобумажные конденсаторы (рис. 15).

Бумажные и металлобумажные конденсаторы

Рис. 15 – Бумажные и металлобумажные конденсаторы

Температурный коэффициент емкости конденсатора

Емкость конденсатора, которая указывается на его корпусе называется номинальной и приводится для температуры окружающей среды 20° С. Однако, с изменением ее температуры будет изменяться также и емкость. Кроме того, во время работы из-за наличия потерь энергии конденсатор нагревается, что также вызывает изменение его емкости. Такие колебания емкости в зависимости от температуры крайне нежелательны для электронной измерительной аппаратуры высокого класса точности, поскольку могут привести к погрешностям в измерениях. Конденсаторы, емкость которых значительно зависит от температуры, не рекомендуется использовать в различных генераторах частоты, поскольку колебания температуры будут вызывать колебания частоты сигнала генератора.

Параметр конденсатора, который учитывает изменение его емкости под воздействием температуры называется температурным коэффициентом емкости. Значения ТКЕ приводятся в справочника (даташитах), а на корпусе конденсатора соответствующая маркировка в виде определенного цвета или буквы. Существуют конденсаторы с положительным и отрицательным ТКЕ. В первом случае при нагревании конденсатора емкость его увеличивается, а во втором – снижается.

В общем, ТКЕ характеризует стабильность значения емкости при изменениях температуры.

Тангенс угла потерь

Во время работы конденсатора всегда возникают потери энергии, которые приводят к его нагреву. Основная часть этих потерь энергии главным образом сосредоточена в диэлектрике и характеризуется тангенсом угла потерь tg δ, а сами потери пропорциональны этому углу. Конденсаторы с высокочастотной керамикой обладают наименьшими потерями.

Величина, обратная tg δ, называется добротностью: QC=1/tgδ. У конденсаторов хорошего качества она выше тысячи.

Номиналы конденсаторов

Технологично трудно изготовить конденсатор строго определенной емкости. Поэтому все конденсаторы, как и любые другие электронные элементы имеют допуск на отклонение от номинального значения, который еще называют классом точности, а номиналы конденсаторов находятся в его пределах.

Существуют три основных класса точности:

  • I класс– допустимое отклонение±5%(Е24)
  • II класс– допустимое отклонение±10%(Е12)
  • III класс– допустимое отклонение±20%(Е6)

В таблице 2 приведены стандартные значения емкости в зависимости от класса точности конденсаторов. Чтобы узнать номинальную емкость конденсатора, к примеру I класса, достаточно значение из таблицы умножить на 0,1; 1; 10; 100; 1000 и т.д. Например, если взять из таблицы число 10 и умножить его 0,1; 1; 10, то получим емкость 10×0,1 = 1 пФ; 10×1 = 10 пФ; 10×10 = 100 пФ. Поскольку I класс имеет допуск ±5%, то действительные значения емкости могут находиться в пределах 0,95…1,05 пФ; 9,5…10,5 пФ; 95…105 пФ. Поэтому не стоит искать конденсаторы I класс с номинальной емкость, например 58 пФ или 65 пФ, потому что они попросту не изготавливаются таких номиналов.

Таблица 2 — Ряды стандартных номиналов конденсаторов

Номиналы конденсаторов

Конечно, существуют и другие более высокие классы точности, например 0,1 %, ±0,2 %, ±0,5 %, ±1 %, ±2 %. Конденсаторы такого класса называют прецизионными, стоимость их выше стоимости конденсаторов более низкого класса точности, поэтому оправдано применение их лишь в технике высокого класса точности.

Маркировка SMD конденсаторов

Если посмотреть на печатную плату любого современного устройства, например мобильного телефона, ноутбука, планшета, компьютера, то врятли мы увидим на ней привычной для нас формы и размеров конденсаторы. Вместо них мы увидим множество плотно расположенных SMD-конденсаторов (рис. 16). Их еще называют бескорпусные или чин-конденсаторы. Они используются для поверхностного монтажа. Основным преимуществом таких конденсаторов по сравнению с выводными являются значительно меньшие габариты, что позволяет при тех же характеристиках получить устройство гораздо компактнее и легче.

Конденсаторы SMD

Рис. 16 — Конденсаторы SMD. Внешний вид

Такие конденсаторы имеют ряд стандартных размеров (табл. 3), которые нужно знать при разводке схемы.

Таблица 3 — Размеры конденсаторов SMD

Размеры SMD конденсаторов

Обозначение емкости конденсатора SMD, значение которой наносится на его корпус, может иметь вид цифирного кодирования (как у конденсаторов, имеющих выводы), но чаще имеет маркировку в виде одной либо двух букв с цифрой. Если используется одна буква, то она обозначает число, приведенное в таблице 4. Если две буквы, то вторая обозначает число из таблицы, а первая производителя. Цифра, следующая за буквой или буквами указывает на 10 в какой степени нужно умножить число из таблицы. Например, маркировка G3 расшифровывается как 1,8×103 = 1800 пФ; А1 – 1×101 = 10 пФ и т. д.

Часто на SMD-конденсаторах вовсе отсутствует маркировка, поэтому не лишним буде обзавестись измерителем емкости.

Таблица 4 — Маркировка SMD  конденсаторов

Маркировка SMD конденсаторов

В маркировке электролитических конденсаторов обязательно обозначается отрицательный вывод “-” (рис. 17). Как правило верхняя часть корпуса закрашивается в черный цвет со стороны этого вывода. Также всегда на корпус наносится значение рабочего напряжения конденсатора. Как и у “обычных” электролитических конденсаторах, значение емкости у SMD-них указывается к микрофарадах.

Маркировка электролитических SMD конденсаторов

Рис. 17 — Маркировка электролитических SMD конденсаторов

Условное графические обозначение конденсаторов

Условное графическое обозначение (УГО) – это обозначение конденсаторов (и других элементов) на чертежах электрических схем (табл. 5). Существует много типов конденсаторов, соответственно и их обозначений. Однако общим для них всех в обозначении есть две параллельно рядом расположенных черточки, которые символизируют пластины конденсатора. Для электролитических конденсаторов указывается еще и полярность подключения. Как правило, – это знак “+” возле одной из параллельных черточек. Кроме того, помимо емкости для таких конденсаторов обязательно указывается максимальное напряжение. К примеру, надпись на схеме 10×50 В означает, что нужно применить конденсатор емкостью 10 мкФ с допустимым напряжением (то, что указано на корпусе конденсатора) не ниже (выше можно) 50 В (рис. 18).

Таблица 5 — Обозначение конденсаторов на схемах

Обозначение конденсаторов на схемах

Выбор электролитических конденсаторов по напряжению

Рис. 18 — Выбор электролитического конденсатора по напряжению

СПОСОБЫ СОЕДИНЕНИЯ КОНДЕНСАТОРОВ

В случае отсутствия конденсатора необходимого номинала емкости или напряжения можно получить требуемый эквивалентный номинал путем соединения нескольких конденсаторов. Применяются последовательное, параллельное и смешанное соединения.

Параллельное соединение конденсаторов

При параллельном соединении (рис. 19) общая емкость равна сумме емкостей всех конденсаторов:

Собщ = С1 + С2 +…+Сn.

Образно можно представить, что параллельно соединенные пластинки (обкладки) образуют одну пластину большей емкости, а как мы помним, с увеличением площади обкладок возрастает емкость конденсатора.

Параллельное соединение конденсаторов

Рис. 19 – Схема параллельного соединения конденсаторов

Напряжение на обкладках всех конденсаторов будет одинаковым и равно напряжению, приложенному к общим выводам.

При соединении электролитических конденсаторов нужно обязательно соблюдать полярность включения (рис. 20).

Параллельное соединение электролитических конденсаторов

Рис. 20 – Схема параллельного соединения электролитических конденсаторов

 Последовательное соединение конденсаторов

При последовательном соединении (рис. 21) общая емкость всех конденсаторов буде меньше наименьшей емкости отдельного конденсатора и определяется по следующей формуле

Формула расчета последовательно соединенных конденсаторов

Последовательное соединение конденсаторов

Рис. 21 – Схема последовательного соединения конденсаторов

Поэтому такое соединение применяется в случае отсутствия конденсатора с нужным допустимым напряжением. К общим выводам соединенных конденсаторов можно приложить большее напряжение, чем к каждому по отдельности (рис. 22). Приложенное напряжение распределяется пропорционально величины емкости каждого из них.

Последовательное соединение двух конденсаторов

Рис. 22 – Схема последовательного соединения двух конденсаторов

При соединении электролитических конденсаторов нужно учитывать их полярность (рис. 23).

Последовательное соединение электролитических конденсаторов

Рис. 23 – Схема последовательного соединения электролитических конденсаторов

Смешанное соединение применяется довольно редко и как правило в том случае, когда нужно объединить положительные свойства последовательного и параллельного соединений.

Хранить конденсаторы удобнее всего в спичечных коробках склеенных в единый блок (рис. 24).

Контейнер для хранения конденсаторов

Рис. 24 — Контейнер для хранения конденсаторов

Вернуться на главную страницу.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *