для чего нужен неполярный конденсатор
Как сделать из полярного конденсатора неполярный и в чем их отличие между собой
Один из наиболее распространенных компонентов электрических схем – неполярный конденсатор. Они применяются в блоке питания, высокочастотном устройстве (емкости с тремя выводами), в цепи звука и т.д.
В рамках этой статьи мы не будем затрагивать теоретические основы радиоэлектроники, чтобы описать его принцип работы. Если требуется обновить знания, эту информацию несложно найти через поисковые серверы. Поэтому перейдем, непосредственно, к практическим вопросам. А именно: чем неполярная емкость отличается от полярной, как проверить работоспособность элемента, маркировка и т.д.
В чем отличие полярного и неполярного конденсатора
Основное отличие между этими двумя типами заключается в структуре диэлектрика, точнее, в его границе с обкладкой. Для наглядности предлагаем рассмотреть рисунок 1, где изображен неполярный керамический конденсатор.
Рисунок 1. Устройство керамической емкости в SMD корпусе
Обозначение элементов конструкции:
Как видно из рисунка, граница между диэлектриком и обкладкой однородная, соответственно, и взаимодействие между ними одинаковое. Поэтому данный тип элементов не требует соблюдения полярности при монтаже.
Что касается электролитических (полярных) емкостей, то в них структура перехода между обкладкой и диэлектриком отличается для каждой из сторон последнего (катода и анода). Причем различия выражаются как в физических свойствах, так и химическом составе. Для примера рассмотрим, как устроены танталовые электролитические емкости.
Обозначения:
При монтаже данного типа емкости необходимо соблюдать полярность. В противном случае элемент не будет выполнять свои функции. Поэтому использовать электролитические емкости можно только в цепи постоянного тока (или импульсного). Применение в цепи переменного напряжения также допустимо, если включение электролитов отвечает определенным условиям. Можно ли заменить электролит неполярной емкостью, расскажем ниже.
Делаем неполярный конденсатор из полярного
Причин для нештатного применения электролитов может быть несколько, начиная от отсутствия неполярных конденсаторов и заканчивая необходимостью собрать схему, обеспечивающую подключение трехфазного электродвигателя к однофазной сети.
Решить проблему можно за счет встречного включения двух электролитов так, как показано на рисунке ниже. У обоих элементов должны совпадать как емкость, так и номинальное напряжение.
Пример соединения двух электролитов для работы в цепи переменного тока
Следует принимать во внимание, что общая емкость такого соединения «С» будет половинной от указанного номинала элементов «С1» и «С2». То есть, если имеются два электролита на 10 мкф каждый, мы получим неполярный электролитический конденсатор на 5 мкф (учитывая допустимую погрешность 4 мкф – 4,7 мкф). Что касается напряжения, то необходимо учитывать амплитуду переменного тока, то есть, для цепи 220 Вольт, следует подбирать элементы с номинальным напряжением минимум 400 Вольт.
Приведенную выше схема не совершенна, ее можно немного модернизировать, зашунтировав емкости диодами так, как изображено на рисунке ниже, это обеспечит защиту от пробоя.
Добавление шунтирующих диодов
Указанный выше принцип можно использовать для замены вышедшего из строя пускового конденсатора для электродвигателя. Не рекомендуем производить подобную замену для звука, поскольку электролиты, как и керамические емкости в силу их особенностей стараются не использовать в аудиотехнике.
Как проверить неполярный конденсатор мультиметром
Эксплуатация радиоэлектроники подразумевает и устранение неисправностей в оборудовании. Поэтому, рассматривая неполярные емкости, нельзя абстрагироваться от темы диагностики их работоспособности.
Как показывает практика, в большинстве случаев причиной выхода из строя емкости является пробой, что приводит к уменьшению сопротивления утечки. То есть, элемент становится, практически, проводником. Такую неисправность часто можно определить по внешнему виду емкости (см. рисунок 5), если это не помогло, потребуется простейший цифровой или аналоговый мультиметр.
Рисунок 5. «Выгоревшая» (пробитая) емкость
С помощью прибора следует замерить сопротивление утечки, в рабочих элементах оно должно быть бесконечно большим. Проверка выполняется следующим образом:
Проводим измерение, если емкость исправна на экране отобразится единица (рисунок 7), что свидетельствует о бесконечно большом сопротивлении между обкладками.
Рисунок 7. Прибор в режиме прозвонки показывает бесконечно большое сопротивление
К сожалению, данным способом можно только проверить емкость на пробой, для определения внутреннего обрыва такой метод не подходит. В этом случае отличить поломанную деталь от работоспособной, можно измерив ее емкость, некоторые модели мультиметров имеют такую функциональную возможность. Принцип проверки практически не отличается от тестирования на пробой, за исключением того, что прибор необходимо перевести в режим измерения емкости.
Маркировка
Существует три основных параметра, характеризующие конденсатор: показатель номинальной емкости, допуска и штатного напряжения. В большинстве случаев применяется два метода маркировки – буквенно-числовой и числовой.
В первом случае буква обозначает величину емкости (μ, nF, pF) и играет роль десятичной запятой. Например, если неполярный конденсатор имеет маркировку 1 μ, значит это деталь с емкостью 1 мкф, а надпись 3μ3 – 3,3 мкФ.
Для обозначения допуска может использоваться буквенная кодировка, ее расшифровка представлена на рисунке 8.
Рисунок 8. Расшифровка буквенной маркировки допуска
Рабочее напряжение емкости также может обозначаться буквенным кодом, ниже приведена его раскодировка.
Таблица: расшифровка буквенной маркировки допустимого напряжения
Емкости небольшого размера, например, в SMD исполнении принято маркировать трехзначным цифровым кодом.
Трехзначный цифровой код параметра емкость
Чтобы не запоминать все значения таблицы, воспользуйтесь следующим правилом расшифровки: значения приводятся в пикофарадах, первое и второе значение – мантисса, третье – степень с основанием 10. Например, надпись 331 будет означать 330 пФ (33*10).
Всевозможные типы конденсаторов, используемые сегодня практически всюду в электронике и электротехнике, в качестве диэлектрика содержат различные вещества. Однако, что касается конкретно электролитических конденсаторов, в частности также танталовых и полимерных, то для них при включении в схему важно строгое соблюдение полярности. Если такой конденсатор включить в цепь неправильно, то он не сможет нормально работать. Данные конденсаторы называются поэтому полярными.
В чем же заключается принципиальное отличие полярного конденсатора от неполярного, почему одним конденсаторам все равно как быть включенными в схему, а другим принципиально важно соблюдение полярности? В этом и попробуем сейчас разобраться.
Дело здесь в том, что процесс изготовления электролитических конденсаторов сильно отличается от, скажем, керамических или полипропиленовых. Если у последних двух как обкладки, так и диэлектрик однородны по отношению друг к другу, то есть нет различия в структуре на границе обкладка-диэлектрик с обеих сторон диэлектрика, то электролитические конденсаторы (цилиндрические алюминиевые, танталовые, полимерные) имеют различие в структуре перехода диэлектрик-обкладка с двух сторон диэлектрика: анод и катод отличаются по химическому составу и физическим свойствам.
Когда изготавливают электролитический алюминиевый конденсатор, то не просто скручивают в рулон две одинаковые обкладки из фольги, проложенные пропитанной электролитом бумагой.
Со стороны анодной обкладки (на которую подается +) присутствует слой оксида алюминия, нанесенный на травленую поверхность фольги особым способом. Анод призван отдавать электроны через внешнюю цепь катоду в процессе заряда конденсатора.
Так же обстоит дело и с танталовыми конденсаторами, где в качестве анода служит порошок тантала, на котором формируется пленка пентаоксида тантала (анод связан с оксидом!), несущего функцию диэлектрика, затем идет слой полупроводника — диоксида марганца в качестве электролита, затем серебряный катод, с которого будут уходить электроны в процессе разряда.
Полимерные электролитические конденсаторы в качестве катода используют легкий проводящий полимер, а в остальном все процессы аналогичны. Суть — окислительная и восстановительная реакции, как в аккумуляторной батарее. Анод окисляется во время электрохимической реакции разрядки, а катод восстанавливается.
Когда электролитический конденсатор заряжен, то имеет место избыток электронов на его катоде, на минусовой обкладке, сообщающий как раз отрицательный заряд этой клемме, а на аноде — недостаток электронов, дающий положительный заряд, таким образом получаем разность потенциалов.
Если заряженный электролитический конденсатор замкнуть на внешнюю цепь, то избыточные электроны побегут от отрицательно заряженного катода к положительно заряженному аноду, и заряд будет нейтрализован. В электролите положительные ионы движутся в этот момент от катода к аноду.
Если включить такой полярный конденсатор в цепь неправильно, то описанные реакции не смогут нормально протекать, и конденсатор не будет нормально работать. Неполярные же конденсаторы могут работать в любом включении, поскольку в них нет ни анода, ни катода, ни электролита, и их обкладки взаимодействуют с диэлектриком одинаково, ровно как и с источником.
А что если под рукой есть только полярные электролитические конденсаторы, а нужно осуществить включение конденсатора в цепь тока с меняющейся полярностью? Для этого существует одна хитрость. Нужно взять два одинаковых полярных электролитических конденсатора, и соединить их между собой последовательно одноименными клеммами. Получится один неполярный конденсатор из двух полярных, емкость которого будет в 2 раза меньше каждого из двух его составляющих.
На этой основе, кстати, изготавливают неполярные электролитические конденсаторы, в которых слой оксида присутствует на обеих обкладках. По этой причине неполярные электролитические конденсаторы имеют значительно больший размер, чем полярные аналогичной емкости. Основываясь на данном принципе, изготавливают также электролитические пусковые неполярные конденсаторы, рассчитанные на работу в цепях переменного тока частотой 50-60 Гц.
Конденсатор
Электрический конденсатор (англ. capacitor) — это устройство, которое может накапливать электрический заряд и хранить его некоторое время. Конденсаторы можно найти практически в любом электронном устройстве. Они бывают разных типов и размеров.
На электрических схемах конденсаторы обозначают двумя параллельными черточками. При этом, у полярных конденсаторов около положительного электрода дополнительно ставится плюсик.
Для чего нужен конденсатор?
У этого прибора есть множество применений. Мы не будем перечислять их все, отметим лишь некоторые.
1) Фильтрация пульсаций в цепях питания. Конденсаторы часто ставят на входе и выходе преобразователей напряжения, на входе питания микросхем. В этом случае конденсаторы служат своего рода амортизаторами, которые могут сгладить неровности напряжения, подобно амортизаторам автомобиля, сглаживающим неровности дороги.
2) Времязадающие электрические цепи. Конденсаторы разной ёмкости заряжаются и разряжаются за разное время. Эту особенность используют в устройствах, где необходимо отсчитывать определенные промежутки времени. Например, с помощью резистора и конденсатора задается период и скважность импульса в микросхеме таймера 555 (урок про таймер 555).
3) Датчики прикосновения. В роли одной из обкладок конденсатора может выступить человек. Эту особенность нашего тела используют в своей работе сенсорные кнопки, тачскрины и тачпады некоторых видов.
4) Хранение данных. Конденсаторы применяются для хранения данных в оперативной памяти — ОЗУ (SRAM). Каждый модуль такой памяти содержит миллиарды отдельных конденсаторов, которые могут быть заряжены или разряжены, что интерпретируется как единица или ноль.
И это далеко не все варианты применения этого незаменимого прибора. Попробуем разобраться, как устройство конденсатора позволяет ему выполнять столько полезных функций!
Устройство простейшего конденсатора
Конденсатор состоит их двух металлических пластин — электродов, называемых также обкладками, между которыми находится тонкий слой диэлектрика.
Собственно, все конденсаторы устроены именно таким (или почти таким) образом, разве что меняется материал обкладок и диэлектрика.
Чтобы увеличить ёмкость конденсатора, не увеличивая его размеры, применяют разные хитрости. Например, если мы возьмем две обкладки в виде длинных полосок фольги, проложим между ними хотя бы тот же полиэтилен и свернем все это как рулет, то получится очень компактный прибор с большой ёмкостью. Именно так устроены плёночные конденсаторы.
Если вместо полиэтилена взять бумагу и пропитать её электролитом, то на поверхности фольги образуется тонкий слой оксида, который не проводит ток. Такой конденсатор будет называться электролитическим.
Существует много разных видов конденсаторов: бумажные, плёночные, оксидные алюминиевые и танталовые, вакуумные и т.п. В нашем уроке мы будем использовать оксидные электролитические конденсаторы из-за их большой ёмкости и доступности.
Полярные и неполярные конденсаторы
Очень важным является разделение конденсаторов на полярные и неполярные.
Приборы на основе оксидов: электролитические алюминиевые и танталовые обычно являются полярными, а значит если перепутать их полярность — они выйдут из строя. Причём этот выход из строя будет сопровождаться бурной электрохимической реакций вплоть до взрыва конденсатора.
На полярных конденсаторах всегда имеется маркировка. Как правило на электролитических конденсаторах на корпусе контрастной полосой отмечается отрицательный вывод (катод), у танталовых (в желтых прямоугольных корпусах) полоской помечается положительный вывод (анод). Если есть сомнения в маркировке, то лучше найти документацию на этот конденсатор и убедиться.
Неполярные же конденсаторы можно включать в цепь какой угодно стороной. К примеру, многослойные керамические конденсаторы — неполярные.
Ёмкость и напряжение конденсатора
Теперь обратим внимание на две важные характеристики конденсатора: ёмкость и номинальное напряжение.
Ёмкость конденсатора характеризует способность конденсатора накапливать заряд. Это как ёмкость банки, в которой хранится, к примеру, вода. Кстати, не зря одним из первых электрических конденсаторов была так называемая Лейденская банка. Она представляла собой обыкновенную стеклянную посуду, снаружи обмотанную фольгой. В банку была налита токопроводящая жидкость — электролит. Фольга и электролит играли роль обкладок, а стекло банки служило тем самым диэлектрическим барьером.
Ёмкость электрического конденсатора измеряют в фарадах. В схемах ёмкость обозначают латинской буквой C. Как правило, ёмкость классических конденсаторов варьируется от нескольких пикофарад (пФ) до нескольких тысяч микрофарад (мкФ). Ёмкость указывается на корпусе конденсатора. Если единицы не указаны — то это пикофарады. Микрофарады часто обозначают как uF — так как буква u внешне похожа на греческую букву мю, которую используют вместо приставки микро.
Существует и особый вид конденсаторов, называемых ионисторами (англ. supercapacitor), которые имеют ёмкость в несколько фарад! Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше энергии в нём может храниться и тем дольше он заряжается, при прочих равных условиях.
Номинальное напряжение — второй важный параметр. Это такое напряжение, при котором конденсатор будет работать весь срок службы без критичного изменения своих параметров. Нельзя применять в 12-вольтовой цепи конденсатор на 6 вольт — он быстро выйдет из строя.
Именно эти два параметра обычно наносят на поверхность корпуса конденсатора. На фотографии ниже изображён электролитический конденсатор ёмкостью 470 мкФ и номинальным напряжением 16 Вольт.
А вот на керамических конденсаторах часто указывают только ёмкость. На картинке ниже конденсатор имеет маркировку 104. Что бы это значило?
Последняя цифра в этом коде — количество нулей после двухзначного числа в начале. 104 = 10 0000 пФ = 100 нФ = 0,1 мкФ
Параллельное и последовательное подключение конденсаторов
Как и в случае резисторов, конденсаторы можно составлять в цепочки. Это бывает нужно, когда в схеме необходима какая-то конкретная ёмкость, а у вас нет такого конденсатора.
Параллельное подключение
В отличие от резисторов, при параллельном подключении конденсаторов их ёмкости складываются. Например, если нам нужно получить ёмкость 3000 мкФ, а у нас есть два конденсатора по 1000 мкФ, и 10 штук по 100 мкФ, смело ставим их параллельно и получаем: 1000*2+100*10 = 2000 + 1000 = 3000 мкФ
Последовательно подключение
При последовательном подключении конденсаторы ведут себя как резисторы, соединённые параллельно. Например, посчитаем суммарную ёмкость двух конденсаторов на 100 мкФ, соединённых последовательно:
Суммарная ёмкость Ctot = 50 мкФ.
Заряд и разряд конденсатора — RC-цепочка
Теперь разберёмся с процессами, происходящими внутри конденсатора во время заряда и разряда. Для этого рассмотрим самую простую электрическую цепь с конденсатором. С левой стороны схемы подключим источник питания. Сверху разместим ключ и резистор, а справа сам конденсатор. Участок цепи, на котором есть конденсатор и резистор называют RC-цепью.
При замыкании ключа, в такой цепи образуется электрический ток, сила которого зависит от сопротивления резистора и внутреннего сопротивления самого конденсатора. Заряженные частицы устремятся к конденсатору, но не смогут преодолеть слой диэлектрика (по крайней мере все разом). Вследствие чего, с одной стороны конденсатора накопятся отрицательно заряженные частицы, а с другой стороны — положительно заряженные. Концентрация заряженных частиц на обкладках создаст мощное электрическое поле между ними.
С течением времени, напряжение на конденсаторе растет, а сила тока падает. После завершения процесса заряда, ток в цепи упадет почти до нуля. Останется только очень маленький ток утечки, который образуется благодаря тому, что некоторым заряженным частицам всё же удается проскочить через слой диэлектрика. Напряжение, напротив, станет практически равным напряжению источника.
Когда мы отключим конденсатор от источника питания, этот самый ток утечки постепенно разрядит конденсатор. Эта особенность электрических конденсаторов не даёт нам сделать из них контейнер для длительного хранения энергии. Хотя частично эту проблему решают ионисторы.
Резистор и время заряда конденсатора
Зачем в цепи нужен резистор? Что на мешает подключить его напрямую к источнику? Тому есть две причины.
Резистор ограничивает ток, протекающий через конденсатор. Чем меньше заряженных частиц за единицу времени прибывает в конденсатор, тем больше времени для заряда ему потребуется.
Конденсатор заряжается и разряжается по экспоненциальному закону. Зная это, мы можем легко рассчитать время заряда/разряда в зависимости от его ёмкости и от сопротивления резистора.
По картинке можно понять, что за время T конденсатор заряжается на 63,2%. А вот за время 3T уже на 95%. Время T здесь равно произведению ёмкости конденсатора C на сопротивление R, последовательно соединенного резистора:
Например, у нас есть конденсатор ёмкостью 100 мкФ, соединенный с резистором 1 кОм. Посчитаем за сколько секунд он зарядится хотя бы до 95%:
Теперь умножаем это на 3 и получаем 3T = 0,3 секунды — за такое время конденсатор почти полностью будет заряжен.
Таким образом, меняя ёмкость конденсатора и резистора мы можем управлять временем его заряда, что нам ещё пригодится в будущем.
Вторая важная причина, по которой в цепи присутствует резистор — защита источника питания. Дело в том, что разряженные конденсаторы имеют очень низкое внутреннее сопротивление, которое составляет доли Ома. По сути, их можно рассматривать как обычные проводники. А что будет, если замкнуть выводы питания проводником? Будет короткое замыкание! Такой режим работы цепи является аварийным для источника питания, и его нужно всячески избегать.
Плавное выключение светодиода при помощи конденсатора
Проведем небольшой опыт. Для этого соберем на макетной плате цепь с кнопкой, конденсатором и светодиодом. В качестве источника питания используем контакты питания Ардуино Уно.
Принципиальная схема
Внешний вид макета
Подключим Ардуино к питанию. Затем, нажмем кнопку и светодиод практически мгновенно загорится. Отпустим кнопку — светодиод медленно начнет гаснуть. Почему так происходит?
Сразу после подключения нашей схемы к источнику питания, в ней начинают происходит интересные процессы.
Как уже говорилось ранее, пока конденсатор пустой, ток через него максимален. Следовательно, конденсатор начинает стремительно набирать заряд. При этом светодиоду, который подключен параллельно, ничего не достается 🙁 Напряжение на нем близко к нулю.
С течением времени конденсатор насыщается, благодаря чему ток начинает постепенно переходить в параллельную цепь — через светодиод. Напряжение на светодиоде начинает расти. Наступает момент, когда напряжение на светодиоде принимает критическое значение (для красного светодиода около 1,8 В), при котором он стремительно отбирает остатки тока у конденсатора и вспыхивает!
Когда мы отпускаем кнопку, ситуация становится гораздо проще. Конденсатор становится источником питания для светодиода с резистором. Светодиод начинает медленно высасывать заряд из конденсатора, пока тот не разрядится. Тут мы и наблюдаем медленно угасание.
Меняя сопротивление R1, мы можем влиять на скорость вспыхивания светодиода. Однако, следует учитывать, что увеличивая R1 мы будем снижать ток в цепи, тем самым уменьшая максимальный заряд конденсатора и яркость светодиода.
Увеличивая C1, мы получим более длительное время работы светодиода после выключения источника. Это как поставить более ёмкую батарейку.
Наконец, меняя R2 можно регулировать яркость светодиода, и соответственно, время его работы. Ведь чем меньше тока мы забираем из конденсатора, тем на большее время его хватит.
К размышлению
Итак, мы познакомились с конденсатором — интересным и порой опасным жителем любой электронной платы. В следующих уроках уделим внимание резистору и индуктивности, а также более сложному их собрату — транзистору.