2. Конденсатордың негізгі түрлері

Қолданыстағы конденсаторлардың негізгі ерекшеліктерін қарастырайық.

Керамикалық конденсаторлар. Керамикалық конденсаторлар    немесе керамикалық дискті конденсаторлар екі жағынан өткізгішпен (әдетте күміс) жабылған кішкентай керамикалық дисктан жасалады.

1.2.1 – сурет. Керамикалық конденсаторлар

Аса жоғары диэлектрикті өткізгіштің арқасында ( 6 дан 12 дейін) керамикалық конденсаторлар салыстырмалы аз физикалық өлшем кезінде қажетті үлкен сыйымдылықты сыйдырады. Бұл типтегі конденсаторлардың сыйымдылық диапазоны бірнеше пикоФарадтан микроФарадқа дейін. Бірақ оның номиналды кернеуі әдеттегідей биік емес.

Керамикалық конденсаторлардың белгіленуі әдетте сыйымдылықтың мәнің белгілейтін үш санды кодтан тұрады. Бірінші екі сан сыйымдылықтың мәнін көрсетеді. Үшінші сан қосуға қажетті нөлдердің мөлшерін көрсетеді.

1.2.2 – сурет. Керамикалық конденсатордың белгіленуі

Мысалы, керамикалық конденсатордын 13 белгісі 10000 пикоФарадты немесе 10наноФарадты білдіреді. Сәйкесінше, 104 белгісі 100000 пикоФарад немесе 10 наноФарадты білдіреді. Кейде бұл кодқа рұқсаттаманы білдіретін әріптер қосылады. Мысалы, J = 5%, K = 10%, M = 20%. .

Бұл конденсаторлар жоғарғы жиілікті тізбектерде кеңінен қолданылады. Керамикалық конденсатор құрылысы негізінен екі жағынан металды қаптамамен жабылған керамикалық дайындаудан тұрады. Оның құрылысы секцияланған, түтікше тәрізді немесе дискілі болуы мүмкін. Бұл конденсаторларды жасау қиын емес және арзан. Конденсаторларды жасауда диэлектрикті өтімділігі >8) және температуралық коэффициенті әр түрлі мәндегі оң да, терісте болуы мүмкін керамика қолданылады. ТКС сандық мәндері -2200 ^. 10^-6   дан +100 ^. 10^-6 1/°C дейінгі шектерде жатыр. ТКС – ның әр түрлі белгілерімен конденсаторларды параллельді қоса отырып, жеткілікті нәтижелі сыйымдылықты жоғарғы тұрақтылықты алуға болады.

Шыны, шыны керамикалық және шыны эмальді конденсаторлар. Керамикалық конденсаторлар сияқты бұларда жоғарғы жиілікті конденсаторлар категориясына қатысты болады. Олар металдық пленкамен жабылған жұқа диэлектрик қабатынан тұрады. Құрылымға қуаттылық беру үшін мұндай жинақты жоғарғы температурада пісіреді. Конденсаторлар өте жоғары қызуға төзімділікке ие және 300°С дейінгі температурада жұмыс жасай алады.

Оксидті конденсаторлар. Бұл конденсаторларда диэлектриктін орнына анод деп аталатын металл электротка жағылған жұқа оксид қабаты қолданылады. Екінші конденсатор қаптамасы – электролит. Электролит ретінде конценторлы қышқылдар негіздердін ерітінділері қолдалылады. Бұл конденсаторлар құрылымдық қасиетіне байланысты 4-ке жіктеледі: сұйық, құрғақ, оксидті – жартылай откізгішті және оксидті – металды. Сұйық конденсаторларда стержень түріндегі бетіне оксид қабаты бар анод алюминилі цилиндрдегі сұйық электролитке батырылады. Сыйдылықты арттыру үшін анодты металл ұнтағын себу және жоғары температурада қыздыру арқылы көлемді етеді. Құрғақ конденсаторларда жабысқақ электролит қолданылады. Бұл жағдайда конденсатор екі фольга ленталарының (оксидтелген және оксидтелмеген) арасына электролитке батырылған қағаз не матаны орналастырады. Фольганы бума ретінде орап, қабына ендіреді. Шықпалар оксидтельген фольгадан (қатод) жасалады. Оксидті – жартылай откізгішті конденсаторларда катодтың орнына марганецтің диоксиді қолданады. Оксидті – метал функциясында катодтың ролін оксидті кабаттың металл қаптамасы атқарады. Электролитті конденсаторлардың артықшылығы олардың өрісті болуында, яғни ол дегеніміз анодқа оң потенциал катодка теріс потенциал әкелгенде жумыс жасай береді. Сондықтан оларды полярлығы өзгермейтін пульсты кернеулі тізбекте қолданады, мысалы фильтрлі қорек көзінде. Электролитті конденсаторлар өте үлкен сыйымдылыққа (мыңдаған микрофарадқа дейін) салыстырмалы аздаған грабит кезінде ие. Бірақ олар жоғарғы жиілікті тізбекте жұмыс жасай алмайды,себебі электролиттің үлкен кедергісінің салдарынан tgd=1 мәніне жетеді. Төменгі температурада электролит қатқандықтан, электролитті конденсаторлардың параметрінде конденсатор жұмыс жасай алатын минимал температура көрсетіледі. Электролитті конденсатор теріс мәнді температураны қабылдамауына қарай 4 топқа жіктеледі.

• Н (Тmin=-100C аязға шыдамсыз);

• М (Тmin=-400C аязға шыдамды);

• ПМ (Тmin=-500C артығымен аязға шыдамды);

• ОМ (Тmin=-600C өте аязға шыдамды).

Температура төмендегенде конденсатор сыйымдылығы азаяды, температура артса артады.

Пленкалы конденсаторлар. Конденсатор сыйымдылығы қамтамалардын ауданына тәуелді. Үлкен ауданды тығыз сыйдыру үшін пленкалы кондесатор қолданылады. Бұл жерде «көпқабаттылық» ұстанымын қолданады. Яғни, қаптамалардың қабаттарымен алмасатын диэлектриктің көп қабатын жасайды. Бірақ электрдің пікірінен бұлар жазық керамикалық кондесатордыкі сияқты диэлектрикпен бөлінген екі өткізгіш. Пленкалы конденсаторлардың диэлектригі ретінде әдетте тефлон, металлданған қағаз, майлар, поликарбонат, полипропилен және полиэстер қолданылады.

Бұл типті конденсатор сыйымдылық дипазоны 5pF (пикофарад)тан 100uF (микрофарад) дейін құрайды. Пленкалы конденсаторлардын номиналды кернеу диапазоны кең. Бұл типті кейбір жоғары вольтті конденсаторлар 2000 вольттан асады.

Пленкалы конденсаторлардың екі түрі бар диэлектрик қабаттарын және қаптамаларын орналастыру әдісі – радиалды және аксиалды.

1.2.3 – сурет. Радиал және аксиал типті пленкалы конденсаторлар

Пленкалы кондесаторлар сыйымдылығын белгіленуі керамикалықты белгілеу принципімен орындалады. Бұл сыйымдылық мәнін пикофарадта белгілейтін үш санды код. Бірінші екі сан сыйымдылықтың мәнін көрсетеді. Үшінші сан қосуға қажетті нөлдердің мөлшерін көрсетеді. Кейде бұл кодқа рұқсаттаманы білдіретін әріптер қосылады. Мысалы, J = 5%, K = 10%, M = 20%. Мысалы, 103J 10000 пикоФарад +/- 5% немесе 10 наноФарад +/-5%. Бірақ жиі әр түрлі өндірушілер сыйымдылық пен дәлдіктен басқа номиналды кернеудін, температураның, серияның, класстын, корпустын және басқа да ерекше сипаттамалардын символдарын қосады. Берілген символдар өндірушіге байланысты ерекшеленіп әр түрлі ретте орналаса алады. Сол себепті пленкалы кондесатор белгілерінің разшифровкасы үшін құжаттаманы қолданған жөн.

Слюдалық конденсаторлар. Бұл конденсаторлар пакетті құрылымға ие, және мұнда диэлектрик ретінде қалыңдығы 0,02 – ден 0,06 мм дейінгі, диэлектрикті өтімділігі  ал тангес бұрышы шығыны tg =10^-4 болатын слюдалы пластина қолданылады. Слюдалы конденсаторлар сыйымдылығы 51 пф – тан 0,01 мкф – қа дейінгі шектерді қамтиды және жоғарғы жиілікті конденсаторларда қолданылады.

Қағазды конденсаторлар. Бұл конденсаторларда диэлектрик ретінде қалыңдығы 6 – дан 10 мкм, жоғарғы емес диэлектрикті өтімділікпен ) конденсторлы қағаз қолданылады, сондықтан бұл конденсаторлардың габариті үлкен. Әдетте қағаз конденсаторлар изоляцияланған конденсаторлық қағаздан, екі ұзын рулон болып оралған фольга ленталарынан жасалды, яғни қағаз конденсаторлар рулонды құрылымға ие. Үлкен диэлектрикті шығындарға және өзіндік индуктивтілікке байланысты бұл конденсаторларды жоғарғы жиілікте қолдануға болмайды.

Электролититті конденсаторлар. Электролитті конденсаторлар  әдетте үлкен сыйымдылық қажет болғанда қолданылады. Бұл типті конденсатор құрылымы пленкалының құрылымына ұқсас, бірақ бұл жерде диэлектриктің орнына электролит сіңірілген арнайы қағаз қолданылады. Конденсатор қаптамалары алюминий немесе танталдан жасалады.

Электролит электр тогын жақсы өткізетініне назар аударайық! Бұл екі өткізгіш диэлектрикпен бөліну керек кондесатор құрылымының принципіне қарсы келеді.

Диэлектрик қабаты құрауыштың құрылымы жасалғаннан кейін жасалады. Конденсатор арқылы ток өткізіледі, және электролитті тотығу нәтижесінде қаптамалардың бірінде алюминий оксиды немесе тантал оксидінің (қаптама қандай металлдан құралғанына байланысты) жұқа қабаты пайда болады. Бұл қабат электролитті конденсаторларға әдетті пленкалы конденсаторларды сыйымдылық жағынан жүз есе асып түсетін жұп-жұқа және тиімді диэлектрикті білдіреді.

1.2.4 – сурет. Электролитті конденсаторлар

Конденсатор полярлығы жоғарыда айтылған тотығу процессінің кемшілігі болып табылады. Оксидті қабат біржақты өткізгіштік қасиетке ие. Кернеуді дұрыс қоспаған кезде оксидті қабат бұзылады, және конденсатор арқылы үлкен тоқ өтуі мүмкін. Бұл тез қызуға және электролиттін кеңеюіне әкеледі, нәтижесінде конденсатор жарылуы мүмкін. Сол себепті электролитті кондесаторды қосу кезінде әрқашан полярлықты сақтау керек. Осыған байланысты компонент корпусында өндірушілер минусты қай жерге қосатынын белгілейді. Электролитт конденсаторлар өзінің полярлығына байланысты айнымалы ток тізбегінде қолданылмайды. Бірақ кейде екі минус минусына жалғанған және полярлы емес конденсаторды құрайтын екі конденсатордан тұратын компоненттерді кездестіруге болады. Оларды аз кернеулі айнымалы ток тізбегінде қолдануға болады.

Алюминді электролитті конденсаторлар негізінен 1 мкФ тан 47000 мкФ – қа дейін тербеледі. Номиналды кернеуі 5В тан 500в. Рұқсат әдетте едәуір үлкен – 20%.

Тантал конденсаторлар. Тантал конденсаторлары алюминді аналогтардан физикалық түрде кем. Бұған қоса алюминий оксидінен қарағанда, электролитті тантал оксиді қасиеттері жақсы. Тантал конденсаторларында токтың ағып кетуі аз және

сыйымдылықтың тұрақтылығы жоғары. Бұл типті сыйымдылықтар диапозоны 47нФтан 1500мкФ. Тантал электролитті конденсаторлары полярлық болып табылады, дегенмен алюминий аналогтарына қарағанда полрлықтың бұрыс қосылуын жақсырақ көтереді. Сонымен қатар бұл типті тантал компоненттерінің кернеу диапазондары едәуір төмен – 1В дан 125В.

Айнымалы конденсаторлар. Айнымалы конденсаторлар жұмыс уақытында реттеуді жиі талап ететін қабылдағыш, хабарлағыш, өлшеуіш аспаптар, сигнал генераторлары, аудио және видео аппаратураларында кең қолданылады. Конденсатор сыйымдылығын өлшеу ол арқылы өтетін сигнал(пішініне, жиілігіне, амплитудасына және т.б.) сипаттамасына әсер етеді. Сыйымдылық механикалық әдіспен, электрлік кернеумен (варикондтар) және температура көмегімен (термоконденсаторлар) өзгере алады. «Айнымалы конденсатор» деп әдетте сыйымдылықтың механикалық өзгерісімен компонентерін айтады.

Айнымалы конденсатор вакуумдік, ауалық және керамикалық t болып, сондай-ақ бір бөлімді және көп бөлімді болып бөлінеді. Вакуумдік Айнымалы конденсаторды, негізінен, бірнеше киловольт кернеулерде қуатты, қысқа толқынды радиотаратқыштарда қолданады. Төменгі кернеулерде (бірнеше жүздеген В-қа дейін) ауалық aйнымалы конденсаторды пайдаланады.

Мұнда сыйымдылықты басқару қаптама ауданының өзгерісімен болады. Айнымалы конденсаторлардағы қаптамалар арасында диэлектрик ретінде әуе кеңістігі бар көп пластинадан тұрады. Пластинаның бір бөлігі белгіленген, екінші бөлігі қозғалмалы. Белгіленген пластинаға қарағанда, қозғалмалы пластина жалпы конденсатор сыйымдылығын анықтайды. Пластинаның жалпы ауданы жоғары болса, сыйымдылықта соншалықты жоғары болады.

1.2.5 – сурет. Айнымалы конденсаторлар

Реттелетін конденсаторлар. Реттелетін конденсаторлар, сыйымдылығы «нақты уақыт режимінде»өзгеретін өзгелік стандартты конденсаторларға қарағанда, сыйымдылықты бір рет немесе периодты реттеу кезінде қолданылады. Мұндай баптау тұтынушы емес құрал өндірушілердің өздеріне арналған, және арнайы бейімдеуіш бұрауышпен жасалады. Әдеттегі болат бұрауыш жарамайды, себебі ол конденсатордын сыйымдылығына әсер етуі мүмкін. Реттелетін конденсатор сыйымдылығы ережеге сай 500 пикоФарадтан аспайды.

Ажыратқыш конденсатор  — күшейткіш каскадтарды немесе сигнал көзін күшейткіш каскад кірісінен ажыратып, тұрақты токты өткізбей, тек айнымалы сигналды өткізетін конденсатор. Күшейткіш каскадтар арасында ажыратқыш конденсатор алдыңғы каскадтың шығысынан келесі каскадтың кірісіне кернеу немесе токтың тұрақты құрастырушысын бөгеп өткізбей, тек күшейтілген сигналдың айнымалы құрастырушысын еркін өткізіп жіберуі тиіс. Ажыратқыш конденсатор ретінде олардың қосылу полярлығын сақтай отырып, оқшаулау кедергісі өте үлкен диэлектриктерді (қағаз, пластмасса немесе слюда) және ылғалдан қорғалған конденсаторларды қолданған жөн. Олардың сыйымдылығы бірнеше мың пикофарад болуы мүмкін. Сондай-ақ ажыратқыш конденсатор электронды - сәулелік аспаптың бейнеленетін, берілген немесе түрлендірілетін кескіннің ұсақ бөліктерін айырып тану қабілетін сипаттайды. Қабылдағыш электронды сәулелік аспаптарда  ажыратқыш конденсатор ажыратылып көрінетін немесе кескіннің берілген айқындылығына сәйкес келетін кескін элементтерінің өлшемі немесе санымен анықталады.

Конденсаторлар типі әр түрлі пішінде және ішкі құрылғы болып табылады. Жазық конденсатор екі паралельді өткізгіш пластинадан (қаптама), бір – бірінен ауамен электрлік оқшауланған немесе арнайы диэлектрлік материалдан (мысалы, қағаз, әйнек немесе слюда) тұрады.

а) б)

1.2.6 – сурет. Жазық конденсатор құрылғысы (а), схемадағы конденсатордың

белгіленуі (б)

Конденсатор заряды. Ток. Тағайындалуы бойынша конденсатор батарейканы еске түсіреді, дегенмен ол жұмыс істеу принципі, максималды сыйымдылығы сонымен қатар заряд/разрядтың жылдамдығы бойынша қатты ерекшеленеді. Жазық конденсатордың жұмыс істеу принципін қарастырайық. Егер оған қорек көзін қоссақ, өткізгіштің бір пластинада электрондар түрінде теріс зарядталған бөлшектер, ал келесі пластинада иондар түрінде оң зарядталған бөлшектер жинала бастайды. Зарядталған бөлшектер конденсатордың қарама – қарсы жағына өте алмайды, себебі қаптамалар арасында диэлектрик орналасқан. Алайда, электрондар қорек көзінен конденсатор пластинасына дейін қозғалады. Сондықтан да тізбекте электрлік ток жүреді.

1.2.7 – сурет. Конденсатор заряды

Ең алдымен конденсаторды тізбекке қосқанда, оның қаптамаларында бос орын көп болады. Демек, бастапқы ток бұл кезде аз кедергіні кездестіреді, және максимал мәнге ие болады. Конденсатордың зарядталған бөлшектерін өлшем бойымен толтыру кезінде қаптамада бос орын бітпегенше ток біртіндеп азаяды, және ток мүлдем тоқтамайды. Токтың максимальды мәнімен «бос» конденсатор күйі арасындағы уақыт және токтің минималь мәнімен «толық» конденсатор, конденсатор зарядының өтпелі периоды деп аталады [1].

1.2.8 – сурет. Өтпелі период уақытындағы конденсатор тогы

Конденсатор заряды. Кернеу. Бастапқыда зарядтың өтпелі периодында конденсатордың қаптамалары арасындағы кернеу нолге тең болады. Қаптамаларда зарядталған бөлшектер пайда бола бастағанда әр аттас зарядтар арасында кернеу пайда болады. Бұған себеп конденсатордың қарама – қарсы жағына бір – біріне өтуге тырысатын зарядтарға «кедергі келтіретін» пластиналар арасындағы диэлектрик болып табылады. Зарядталудың бастапқы сатысында кернеу тез өседі, себебі үлкен ток қаптамадағы зарядталған бөлшектердің санын тез ұлғайтады. Конденсатор көп зарядталған сайын, ток аз болады және кернеу де баяу өседі. Өтпелі период соныңда конденсатор кернеуі толықтай өсуін тоқтатады, және қорек көзіндегі кернеуге тең болады.

1.2.9 – сурет. Заряд уақытындағы ток пен кернеу

Графикте көрсетілгендей, конденсатордың ток күші кернеудің өзгерісіне тікелей тәуелді.

Өтпелі периодтағы конденсатор тоғын табу формуласы:

Ic = C (1.2.1)

Ic - конденсатор тоғы.

C – конденсатор сыйымдылығы.

ΔVc/Δt – уақыт мерзіміндегі конденсатордың кернеуінің өзгерісі.

Конденсатор разряды. Конденсатор зарядталып болған соң, қорек көзінен ажыратамыз және жүктемені R қосамыз. Конденсатор ендi зарядталған болғандықтан, өзi қоректендiру көзiне айналды. Жүктеме R пластиналар арасында өткел құрды. Бір пластинада жиналған теріс зарядталған электрондар әр аттас заряд арасындағы тарту күшіне сәйкес басқа пластинадағы оң зарядталған иондарға қарай қозғалады.

1.2.10 – сурет. Конденсатор разряды

R қосқан кезде және зарядтың өтпелі периоды аяқталғанда конденсатордағы кернеу сол қалпында бола береді. Ом заңы бойынша бастапқы ток қаптамадағы кернеудің жүктеме кедергісіне бөлінген мәнге тең болады:

Ic = (1.2.2)

Тізбекте ток жүрген кезде, конденсатор разрядтала бастайды. Заряд шығынын өлшеу кезінде кернеу төмендей бастайды. Демек, токта төмендейді. Ток пен кернеу мәндерінің төмендеуін өлшеуде, олардың төмендеу жылдамдығы түсе бастайды.

1.2.11 – сурет. Конденсатордың разрядталу уақытындағы

кернеуі және тоғы

Конденсатордың зарядталу және разрядталу уақыты екі параметрге тәуелді, олар конденсатор сыйымдылығы C және жалпы тізбектегі кедергі R Конденсатордың сыйымдылығы қаншалықты үлкен болса, тізбекте сонша есе заряд саны жүруі керек және заряталу/разрядталу процесі көп уақытты қажет етеді. Кедергісі көбейген сайын, ток азаяды. Демек, заряталу көп уақытты қажет етеді. RC өнімі ( сыйымдылыққа көбейтілген кедергі) уақытша константыны τ (тау) қалыптастырады. Бір τ  конденсатор зарядталады немесе 63% разрядталады. Бес τ  конденсатор толықтай зарядталады немесе разрядталады.

Көрнекілік үшін конденсатор сыйымдылығын 20 микрофарад, кедергісін 1 кОм және қорек көзін 10В мәндеріне қоямыз. Заряд процесі келесі түрде көрінеді:

1.2.12 – сурет. Заряд процесі көрінісі

(1.2.3)