Кандэнсатар

Кандэнсатар — двухполюснік, якому ўласціва параўнальна вялікая ёмістасць і амічнае супраціўленне; прылада для захавання электрычнай энергіі. Звычайна складаецца з двух электродаў у форме пласцін (абкладак), падзеленых дыэлектрыкам, таўшчыня якога малая ў параўнанні з памерамі абкладак. Працэс назапашвання энергіі ў кандэнсатары, вядомы як «зарад», прыводзіць да назапашвання электрычнага зараду аднолькавай велічыні, але супрацьлеглай палярнасці, на кожнай з абкладак.

Кандэнсатары шырока выкарыстоўваюцца ў электронных схемах для раздзялення ланцугоў пастаяннага і пераменнага току, у сеціўных фільтрах, для згладжвання выхаднога напружання крыніц сілкавання, у рэзанансных контурах, і для многіх іншых мэт.

Ідэальны кандэнсатар характарызуецца адной пастаяннай велічынёй, ёмістасцю, якая вымяраецца ў фарадах, і можа быць вылічана як адносіна электрычнага зараду на кожнай з абкладак да рознасці патэнцыялаў паміж імі. На практыцы заўжды ёсць абмежаванні на велічыню электрычнага поля ў дыэлектрыку, што выражаецца ў наяўнасці напружання прабою, абкладкі маюць паразітную ўласную індуктыўнасць і супраціўленне, паміж абкладкамі існуе ток уцечкі, ёмістасць кандэнсатара залежыць ад тэмпературы і частаты, і г.д.

Назву «кандэнсатар» даў Алесандра Вольта ў 1782 годзе (ад італьянскага condensatore), падкрэсліўшы здольнасць прылады назапашваць большы электрычны зарад у параўнанні са звычайным ізаляваным правадніком. І хоць у англійскай мове назва condensor лічыцца архаічнай (сучасная назва — capacitor), у большасці еўрапейскіх моў ужываюцца вытворныя ад condensatore назвы.

 Гісторыя 
міні|«Батарэя» з чатырох лейдэнскіх слоікаў, злучаных паралельна. Экспанат музея Бурхавэ, Лейдэн, Германія
У кастрычніку 1745 года Эвальд Георг фон Клейст з Памераніі (Германія), вынайшаў, што зарад можна захоўваць, падключыўшы электрастатычны генератар высокага напружання дротам да аб’ёму вады ў ручным шкляным слоіку. Рук Клейста і вада дзейнічалі як праваднікі, а слоік — як дыэлектрык (хоць дэталі механізму ў той час былі ідэнтыфікаваныя няправільна). Клейст выявіў, што дакрананне да дроту прывяло да моцнай іскры, значна больш балючай, чым іскра, атрыманая ад электрастатычнай машыны. У наступным годзе галандскі фізік Пітэр ван Мушэнбрук вынайшаў падобны кандэнсатар, які атрымаў назву лейдэнскі слоік у гонар Лейдэнскага ўніверсітэта (дзе працаваў Мушэнбрук). Ён таксама быў уражаны моцай шоку, які ён атрымаў, напісаўшы: «Я б не вытрымаў другога шоку для каралеўства Францыі».

Даніэль Гралат быў першым, хто аб’яднаў некалькі слоікаў паралельна, каб павялічыць ёмістасць захоўвання зарада. Бенджамін Франклін даследаваў лейдэнскі слоік і прыйшоў да высновы, што зарад захоўваўся на шкле, а не ў вадзе, як меркавалі іншыя. Ён таксама прыняў тэрмін «батарэя» (пазначаючы павелічэнне магутнасці з шэрагам падобных адзінак, як у гарматнай батарэі). Пазней лейдэнскія слоікі былі зроблены шляхам пакрыцця слоікаў знутры і звонку металічнай фольгай, пакідаючы прастору ў вусце для прадухілення дугі паміж фольгай. Самай ранняй адзінкай ёмістасці была банка (эквівалентная прыкладна 1,11 нанафарад).

Лейдэнскія слоікі або больш магутныя прылады, у якіх выкарыстоўваліся плоскія шкляныя пласціны, якія чаргуюцца з праваднікамі з фольгі, выкарыстоўваліся прыкладна да 1900 года, калі вынаходніцтва бесправадной сувязі (радыё) выклікала попыт на стандартныя кандэнсатары, а няўхільны рух да больш высокіх частот патрабаваў кандэнсатараў з меншай індуктыўнасцю. Пачалі выкарыстоўвацца больш кампактныя метады канструкцыі, такія як гнуткі дыэлектрычны ліст (як прамасленая папера), заціснуты паміж лістамі металічнай фольгі, згорнуты або складзены ў невялікі пакет.

 Канструкцыя 
Кандэнсатар з’яўляецца пасіўным электронным кампанентам. У самым простым варыянце канструкцыя складаецца з двух электродаў у форме пласцін (званых абкладкамі), падзеленых дыэлектрыкам, таўшчыня якога ў параўнанні з памерамі абкладак вельмі невялікая. Практычна прымяняемыя кандэнсатары маюць шмат слаёў дыэлектрыка і шматслойныя электроды, або стужкі ў якіх чаргуюцца дыэлектрык і электроды, гэтая слаёная канструкцыя згорнутая ў цыліндр або паралелепіпед са скругленымі рэбрамі.

 Уласцівасці кандэнсатара 
З прычыны сваёй будовы, кандэнсатар у ланцугу пастаяннага току можа праводзіць ток толькі ў момант яго ўключэння ў ланцуг (адбываецца зарадка або перазарадка кандэнсатара), пасля заканчэння пераходнага працэсу ток праз кандэнсатар не цячэ, бо яго абкладкі падзелены дыэлектрыкам. У ланцугу пераменнага току кандэнсатар праводзіць ваганні пераменнага току з дапамогай цыклічнай перазарадкі кандэнсатара, замыкаецца так званым токам зрушэння.

міні|400x400пкс|Батарэя з «кандэнсатарных банак»
З пункту гледжання метаду комплексных амплітуд кандэнсатар валодае электрычным імпедансам.

 дзе  — уяўная адзінка,
  — цыклічная частата працякалага сінусоіднага току (радыян/с),
  — частата працякалага току (Гц)
  — ёмкістасць кандэнсатара (Ф)

Адсюль таксама вынікае, што рэактыўнае супраціўленне кандэнсатара:

Для пастаяннага току частата роўная нулю, такім чынам, для пастаяннага току рэактыўнае супраціўленне кандэнсатара фармальна бясконцае.

Пры змене частаты змяняюцца дыэлектрычная пранікальнасць дыэлектрыка і ступень уплыву паразітных параметраў — уласнай індуктыўнасці і супраціўленне страт. На высокіх частотах любы кандэнсатар можна разглядаць як паслядоўны вагальны контур, які ўтвараецца ёмістасцю  уласнай індуктыўнасцю , і супраціўленне страт 

Рэзанансная частата кандэнсатара роўная:

Пры  кандэнсатар у ланцугу пераменнага току паводзіць сябе як шпулька індуктыўнасці. Таму кандэнсатар мэтазгодна выкарыстоўваць толькі на частотах , на якіх яго рэактыўнае супраціўленне носіць ёмістасны характар. Звычайна максімальная працоўная частата кандэнсатара прыкладна ў 2-3 разы ніжэй рэзананснай.

Кандэнсатар можа назапашваць электрычную энергію. Энергія зараджанага кандэнсатара:

дзе  — напружанне (рознасць патэнцыялаў), да якога зараджаны кандэнсатар,

 — электрычны зарад на адной з абкладак.

 Асноўныя параметры 

 Характарыстыкі 

 Ёмістасць 
Асноўная характарыстыка кандэнсатара — ёмістасць, яна характарызуе здольнасць кандэнсатара назапашваць электрычны зарад. У звестках кандэнсатара фігуруе значэнне намінальнай ёмістасці, а рэальная ёмістасць можа значна мяняцца залежна ад шматлікіх фактараў. Рэальная ёмістасць кандэнсатара вызначае яго электрычныя ўласцівасці. Так, па вызначэнні ёмістасці, зарад на абкладцы прапарцыйны напружанню паміж абкладкамі (q = CU). Тыповыя значэнні ёмістасці кандэнсатараў складаюць ад адзінак пікафарад да тысяч мікрафарад. Аднак ёсць кандэнсатары (іяністары) з ёмістасцю да дзясяткаў фарад.

Ёмістасць плоскага кандэнсатара, які складаецца з двух паралельных металічных пласцін плошчай S кожная, размешчаных на адлегласці d адна ад другой, у сістэме СІ выяўляецца формулай:


 дзе  — дыэлектрычная пранікальнасць асяроддзя, якое запаўняе прастору паміж пласцінамі (у вакууме роўная 1),
  — Электрычная пастаянная, колькасна роўная 

Гэта формула справядлівая, толькі калі  нашмат меней лінейных памераў пласцін.

Для атрымання вялікіх ёмістасцяў кандэнсатары злучаюць паралельна. Пры гэтым напружанне паміж абкладкамі ўсіх кандэнсатараў аднолькава. Агульная ёмістасць батарэі «паралельна» злучаных кандэнсатараў роўная суме ёмістасцяў усіх кандэнсатараў, якія ўваходзяць у батарэю:
  або 
Калі ва ўсіх паралельна злучаных кандэнсатарах адлегласць паміж абкладкамі і ўласцівасці дыэлектрыка аднолькавыя, то гэтыя кандэнсатары можна прадставіць як адзін вялікі кандэнсатар, падзелены на фрагменты меншай плошчы.

міні|250пкс|Паслядоўнае злучэнне кандэнсатараў
Пры паслядоўным злучэнні кандэнсатараў зарады ўсіх кандэнсатараў аднолькавыя, бо ад крыніцы сілкавання яны паступаюць толькі на знешнія электроды, а на ўнутраных электродах яны атрымліваюцца толькі за кошт падзелу зарадаў. Агульная ёмістасць батарэі паслядоўна злучаных кандэнсатараў роўная:


або:



Гэтая ёмістасць заўсёды менш за мінімальную ёмістасці кандэнсатара, які ўваходзіць ў батарэю. Аднак пры паслядоўным злучэнні памяншаецца магчымасць прабоя кандэнсатараў, бо на кожны кандэнсатар прыпадае толькі частка розніцы патэнцыялаў крыніцы напружання.

Калі плошча абкладак усіх кандэнсатараў, злучаных паслядоўна, аднолькавая, то гэтыя кандэнсатары можна прадставіць як адзін вялікі кандэнсатар, паміж абкладкамі якога знаходзіцца стос з пласцін дыэлектрыка ўсіх складаючых яго кандэнсатараў.
міні|342x342пкс|Узарваны электралітычны кандэнсатар на плаце вадкакрышталічнага манітора. Бачныя валокны папяровага сепаратара абкладак і разварочаныя алюмініевыя абкладкі з фольгі.

 Удзельная ёмістасць 
Пад удзельнай ёмістасцю разумеюць адносіны ёмістасці кандэнсатара да аб’ёму (або масы) яго дыэлектрыка. Максімальнае значэнне ўдзельнай ёмістасці дасягаецца пры мінімальнай таўшчыні дыэлектрыка, аднак пры гэтым памяншаецца яго напружанне прабоя.

 Шчыльнасць энергіі 
Шчыльнасць энергіі кандэнсатара — адносіна масы (аб’ёму) да колькасці назапашанай энергіі. Гэтая характарыстыка ў першую чаргу залежыць ад канструктыўнага выканання кандэнсатара. Максімальная шчыльнасць дасягаецца ў вялікіх электралітычных кандэнсатараў, дзе маса корпуса невялікая ў параўнанні з масай абкладак і электраліту. Напрыклад, у кандэнсатара EPCOS B4345 з ёмістасцю 12 000 мкФ, максімальна дапушчальным напружаннем 450 вольт і масай 1,9 кг шчыльнасць энергіі пры максімальным напружанні складае 639 Дж/кг або 845 Дж/л. Асабліва важны гэты параметр пры выкарыстанні кандэнсатара як назапашвальніка энергіі, з наступным імгненным яе вызваленнем, напрыклад, у гармаце Гаўса.

 Намінальнае напружанне 
Намінальнае напружанне — значэнне напружання пры якім кандэнсатар можа працаваць у зададзеных умовах на працягу тэрміну службы з захаваннем параметраў у дапушчальных межах. Намінальнае напружанне залежыць ад канструкцыі кандэнсатара і ўласцівасцяў матэрыялаў абкладак і электраліту. Эксплуатацыйнае напружанне на кандэнсатары павінна быць не вышэй намінальнага.

 Напружанне прабоя 
Пры пэўнай напружанасці электрычнага поля, вядомай як дыэлектрычная трываласць , дыэлектрык у кандэнсатары становіцца праводным. Напружанне, пры якім гэта адбываецца, называецца напружаннем прабоя і вызначаецца як памножаныя значэнні дыэлектрычнай трываласці і адлегласці паміж праваднікамі ():

Максімальная энергія, якую можна бяспечна захоўваць у кандэнсатары, абмежавана напружаннем прабоя. З прычыны маштабавання ёмістасці і напружання прабоя ў залежнасці ад таўшчыні дыэлектрыка кандэнсатары вырабляюць з пэўнага дыэлектрыка. Для кандэнсатараў з паветраным дыэлектрыкам напружанасць поля прабоя складае парадку 2-5 МВ/м (або кВ/мм); для слюды пробай складае 100—300 МВ/м; для нафты — 15-25 МВ/м; велічыня можа быць значна менш, калі як дыэлектрык выкарыстоўваюць іншыя матэрыялы. Дыэлектрык выкарыстоўваюць вельмі тонкімі пластамі, таму абсалютнае напружанне прабоя кандэнсатараў абмежавана. Тыповыя наміналы кандэнсатараў, якія выкарыстоўваюць у агульнай электроніцы, вар’іруюцца ад некалькіх вольт да 1 кВ. Па меры павелічэння напружання слой дыэлектрыка павінен быць таўсцей, і ў выніку ёмістасць высакавольтных кандэнсатараў становіцца больш, чым у кандэнсатараў, разлічаных на больш нізкае напружанне.

На напружанне прабоя крытычна ўплываюць такія фактары, як геаметрыя праводнасці частак кандэнсатара; вострыя краі або пункты павялічваюць напружанасць электрычнага поля ў гэтым пункце і могуць прывесці да лакальнага прабою. Як толькі гэта пачынае адбывацца, прабой хутка праходзіць праз дыэлектрык, пакуль не дасягае процілеглай пласціны, пакідаючы пасля сябе прапаліну ў дыэлектрыку і выклікаючы кароткае замыканне (або адносна нізкі супраціў). Вынікі могуць быць выбухованебяспечнымі, бо кароткае замыканне ў кандэнсатары адбірае ток з вакольнай схемы і рассейвае энергію. Аднак у кандэнсатарах з адмысловымі дыэлектрыкамі на тонкіх металічных электродах пасля прабоя не здараецца замыкання. Гэта адбываецца таму, што метал у зоне прабоя плавіцца або выпарваецца, ізалюючы месца прабоя ад астатняй часткі кандэнсатара.

Звычайна фізіка працэсу «прабоя» заключаецца ў тым, што напружанасць поля становіцца досыць вялікай, каб выцягваць электроны з атамаў дыэлектрыку, утвараючы тым самым зону электраправоднасці. Магчымы і іншыя сцэнарыі, такія як прымешкі ў матэрыяле дыэлектрыку, і калі дыэлектрык мае крышталічную прыроду, недасканаласці крышталічнай структуры могуць прывесці да лавіннага прабою, як гэта назіраецца ў паўправадніковых прыладах.

На напружанне прабоя таксама ўплываюць ціск, вільготнасць і тэмпература.
міні|250x250пкс|Кандэнсатары на плаце блока сілкавання.

 Палярнасць 
Многія кандэнсатары з аксідным дыэлектрыкам (электралітычныя) функцыянуюць толькі пры карэктнай палярнасці напружання з прычыны хімічных асаблівасцяў узаемадзеяння электраліту з дыэлектрыкам. Пры зваротнай палярнасці напружання электралітычныя кандэнсатары звычайна выходзяць са строю з прычыны хімічнага разбурэння дыэлектрыка з наступным павелічэннем току, закіпаннем электраліту ўнутры кандэнсатара і, як следства, з імавернасцю выбуху або разрыву корпуса.

 Небяспека разбурэння (выбуху) 
Выбухі электралітычных кандэнсатараў — даволі распаўсюджаная з’ява. Асноўная прычына выбухаў гэта перагрэў кандэнсатара, які ў большасці выпадкаў выкліканы ўцечкай або павышэннем эквівалентнага паслядоўнага супраціўлення з прычыны старэння (асабліва актуальна для імпульсных прылад). У сучасных камп’ютарах перагрэў кандэнсатараў — частая прычына выхаду са строю з прычыны блізкага размяшчэння побач крыніцы цяпла (напрыклад побач радыятара астуджэння).

Для памяншэння пашкоджанняў іншых дэталяў і траўматызму персаналу ў сучасных кандэнсатарах вялікай ёмістасці ўсталёўваюць выбіўны ахоўны клапан або робяць надсечку корпуса (часта яе можна заўважыць у выглядзе крыжа або літар X, Y, K ці Т на тарцы цыліндрычнага корпуса, на буйнагабарытных кандэнсатарах, яна звычайна пакрыта пластыкам). Пры павышэнні ўнутранага ціску выбіваецца заглушка клапана або корпус руйнуецца па надсечцы, пара электраліту выходзіць як едкі газ і нават як пырскі вадкасці. Пры гэтым разбурэнне корпуса кандэнсатара адбываецца без выбуху, раскідвання абкладак і сепаратара.

Старыя электралітычныя кандэнсатары выпускалі ў герметычных карпусах і ў канструкцыі іх карпусоў не прадугледжвалася абарона ад выбуху. Хуткасць разлёту аскепкаў пры выбуху корпуса састарэлых кандэнсатараў можа быць дастатковай каб траўмаваць чалавека.

У адрозненне ад электралітычных, выбухованебяспечнасць танталавых (аксіднапаўправадніковых) кандэнсатараў звязана з тым, што такі кандэнсатар фактычна ўяўляе сабой выбуховую сумесь: гаручым служыць тантал, а акісляльнікам — двухвокіс марганцу, і абодва гэтых кампаненты ў канструкцыі кандэнсатара перамяшаныя ў выглядзе тонкага парашка. Пры электрычным прабоі кандэнсатара або пры змене палярнасці, пры праходжанні току вылучыцца цяпло, якое ініцыюе рэакцыю паміж гэтымі кампанентамі, якая працякае як моцная ўспышка з хлапком, што суправаджаецца раскідваннем іскраў і аскепкаў корпуса. Сіла такога выбуху даволі вялікая, асабліва ў буйных кандэнсатараў, і здольная пашкодзіць не толькі суседнія радыёэлементы, але і саму плату. Пры цесным размяшчэнні некалькіх кандэнсатараў магчымы прапал карпусоў суседніх кандэнсатараў, што прыводзіць да іх адначасовага выбуху.

 Паразітныя параметры 
Рэальныя кандэнсатары, акрамя ёмістасці, маюць таксама ўласныя паслядоўныя і паралельныя супраціўленне і індуктыўнасць. З дастатковай для практыкі дакладнасцю эквівалентную схему рэальнага кандэнсатара можна прадставіць наступным чынам:

цэнтр
 C — уласная ёмістасць кандэнсатара;
 r — супраціўленне ізаляцыі кандэнсатара;
 R — эквівалентнае паслядоўнае супраціўленне (часта абазначаюць );
 L — эквівалентная паслядоўная індуктыўнасць (часта абазначаюць ).

 Электрычнае супраціўленне ізаляцыі 
Супраціўленне ізаляцыі па сутнасці прадстаўляе супраціўленне кандэнсатара току, якое вызначаецца як:



 дзе  — напружанне, прыкладзенае да кандэнсатара;
  — ток выцечкі.

З прычыны току выцечкі, які праходзіць праз пласт дыэлектрыка, паміж абкладкамі і па паверхні дыэлектрыка, папярэдне зараджаны кандэнсатар з цягам часу губляе зарад (самаразряд кандэнсатара). Часта ў спецыфікацыях на кандэнсатары супраціўленне выцечкі вызначаюць праз пастаянную часу  самаразрада кандэнсатара, якая лікава роўная адносінам ёмістасці да супраціўлення выцечкі:



 дзе  — час, за які пачатковае напружанне на кандэнсатары, непадключаным да знешняга ланцуга, паменшыцца ў e разоў.

 Эквівалентнае паслядоўнае супраціўленне 
міні|300x300пкс|Выпрабаванне кандэнсатара партатыўным ESR-метрам 

Эквівалентнае паслядоўнае супраціўленне () абумоўлена галоўным чынам электрычным супраціўленнем матэрыялу абкладак і вывадаў (клем) кандэнсатара, кантактаў паміж імі, а таксама ўлічвае страты ў дыэлектрыку. Звычайна ЭПС узрастае з павелічэннем частаты току, які праходзіць праз кандэнсатар (з прычыны паверхневага эфекту). У большасці практычных выпадкаў гэты параметр можна пакінуць паза ўвагай, але часам (напр., у выпадку выкарыстання электралітычных кандэнсатараў у фільтрах імпульсных блокаў сілкавання) досыць малое яго значэнне важнае для надзейнасці і ўстойлівасці працы ўсей прылады. У электралітычных кандэнсатарах, дзе адзін з электродаў ёсць электралітам, гэты параметр пры эксплуатацыі з часам дэградуе з прычыны выпарэння растваральніка з вадкага электраліту і змены яго хімічнага складу, выкліканага ўзаемадзеяннем з металічнымі абкладкамі, што адбываецца адносна хутка ў нізкаякасных вырабах («кандэнсатарная чума»). Некаторыя схемы (напрыклад, стабілізатары напружання) крытычныя да дыяпазону змены ЭПС кандэнсатараў у сваіх ланцугах. Гэта звязана з тым, што пры праектаванні такіх прылад інжынеры ўлічваюць гэты параметр у фазачастотнай характарыстыцы (ФЧХ) зваротнай сувязі стабілізатара. Значнае змяненне з часам ЭПС кандэнсатараў змяняе ФЧХ, што можа прывесці да зніжэння запасу ўстойлівасці контураў аўтарэгуявання і нават да самаўзбуджэння. Ёсць спецыяльныя прыборы (ESR-метр) для вымярэння гэтага параметру, па якіх часта можна вызначыць прыдатнасць яго далейшага выкарыстання ў пэўных мэтах. Гэты параметр часта мае вырашальнае значэнне ў даследаванні стану старога кандэнсатара і прыняцці рашэння пра вартасць яго выкарыстоўвання ў пэўнай схеме (або імавернасць выхаду яго за межы дапушчальных адхіленняў).

 Эквівалентная паслядоўная індуктыўнасць 
Эквівалентная паслядоўная індуктыўнасць () абумоўлена ў асноўным уласнай індуктыўнасцю абкладак і вывадаў кандэнсатара. Вынікам гэтай размеркаванай паразітнай індуктыўнасці ёсць ператварэнне кандэнсатара ў вагальны контур з характэрнай уласнай частатой рэзанансу. Гэтая частата можа быць вымерана і звычайна паказваецца ў параметрах кандэнсатара або яўна, або як рэкамендаваная максімальная працоўная частата.

 Тыпы кандэнсатараў 
Залежна ад прызначэння кандэнсатары ўмоўна падзяляюць на кандэнсатары агульнага і спецыяльнага прызначэння. Кандэнсатары агульнага прызначэння выкарыстоўваюць практычна ў большасці відаў і класаў электроннай апаратуры. Традыцыйна да іх адносяць найбольш распаўсюджаныя нізкавольтныя кандэнсатары, да якіх няма асаблівых патрабаванняў. Усе астатнія кандэнсатары спецыяльныя. Да іх адносяць сілавыя, высакавольтныя, імпульсныя, завадападаўляльныя, дазіметрычныя, пускавыя і іншыя кандэнсатары.

 Крыніцы 

 Спасылкі 

Катэгорыя:Электроніка
Катэгорыя:Вікіпедыя:Істотныя артыкулы