Конденсатор — пассивный электронный компонент, который накапливает электрический заряд и кратковременно отдаёт его обратно в цепь. Проще всего представить его как «электрическую батарейку на секунды»: когда на выводах появляется напряжение, между двумя обкладками возникает электрическое поле, в котором и хранится энергия. Благодаря этому конденсаторы сглаживают пульсации, отделяют постоянную составляющую сигнала, формируют задержки, участвуют в настройке частоты и выдерживают мощные импульсы.
Базовая конструкция — две проводящие обкладки (электрода) и диэлектрик между ними (керамика, плёнка, оксид, бумага, воздух и т. п.). В идеале ток через диэлектрик не идёт; энергия хранится в поле.
Ёмкость C показывает, сколько заряда накопится при заданном напряжении:
Q = C · U.
От геометрии и материала зависит и сама ёмкость:
C = ε · ε₀ · A / d,
где A — площадь обкладок, d — расстояние, ε — относительная диэлектрическая проницаемость, ε₀ — электрическая постоянная.
Сколько энергии хранит конденсатор?
E = ½ · C · U² — именно поэтому даже небольшой по ёмкости, но высоковольтный конденсатор может сохранять ощутимый запас энергии: обращайтесь с ним аккуратно.
Время зарядки в простейшей RC-цепи описывает постоянная времени τ = R · C. За время τ напряжение на конденсаторе достигает ~63 % конечного значения; за 5τ — почти 100 %. Эта «настроечная ручка» используется в таймерах и фильтрах.
Разряженный конденсатор в начале пропускает ток (идёт зарядка), затем ток экспоненциально падает к нулю и заряд «замирает». Заряженный конденсатор для постоянного тока — эквивалент разрыва цепи.
При смене полярности конденсатор неизбежно перезаряжается, поэтому переменный ток «проходит». Насколько легко он проходит, описывает реактивное сопротивление (см. раздел об импедансе): чем выше частота и больше ёмкость, тем меньше сопротивление для AC.
Сглаживание и фильтрация: после выпрямителя в блоках питания конденсатор уменьшает пульсации; на платах микроконтроллеров и ИМС развязывающие конденсаторы «успокаивают» питание возле каждой микросхемы.
Развязка и передача сигналов: пропускают AC и блокируют DC, чтобы передать полезный переменный сигнал между каскадами, не смещая рабочие точки.
Формирование временных задержек и тайминг: RC-цепи задают время отклика, делают плавный старт, антидребезг кнопок.
Резонанс и настройка частоты: с индуктивностью образуют контуры радиоприёмников, фильтры, согласующие цепи.
Фазосдвиг и пуск двигателей: в однофазных асинхронных моторах создают сдвиг фаз для пуска/работы.
Импульсная энергия и «выстрел» током: вспышки, дефибрилляторы, импульсные сварочники, UPS — когда нужна быстрая отдача.
Подавление помех (EMI/RFI): X/Y-безопасные конденсаторы «шунтируют» высокочастотные помехи в питающих фильтрах.
Снабберы и демпферы: RC/RC-диоды снимают перенапряжения на ключах, гасят «звон» в силовых схемах.
Керамические (MLCC). Малые габариты, низкий ESL, хороши как развязка и ВЧ-фильтры. Разделяют на классы:
Class 1 (C0G/NP0) — стабильность, низкие потери, точная ёмкость.
Class 2 (X7R, X5R, Y5V) — большая удельная ёмкость, но ёмкость падает с температурой и смещением (DC bias).
Плёночные (PP, PET и др.). Низкие потери (низкий ESR), выдерживают AC и импульсы, любимы в аудио, силовой электронике, снабберах и сетевых фильтрах.
Электролитические (алюминиевые, танталовые). Большие ёмкости в компактных размерах. Полярные: переполюсовка опасна. Алюминиевые дешевле, танталовые стабильнее и компактнее, но чувствительны к броскам тока; для сетевых и силовых схем — берите low-ESR/long-life линейки.
Суперконденсаторы (ионисторы). Сверхвысокая ёмкость (фарадные значения), быстрая заряд-разряд, ресурс в сотни тысяч—миллионы циклов. Напряжение элемента невелико (обычно 2.7–3.0 В), в сборках применяют балансировочные цепочки.
Переменные и подстроечные. Дают возможность плавно менять ёмкость — от настройки радиоконтуров до калибровки фильтров.
Безопасные X/Y-конденсаторы. Специальные сетевые конденсаторы для подавления помех: X — между фазой и нулём, Y — между фазой/нулём и землёй. Отвечают сертификациям и рассчитаны на пробой без пожара.
Ёмкость (C) и допуск. Чем точнее должен работать фильтр/контур, тем жестче требуется допуск и стабильность (C0G/NP0, плёнка).
Номинальное напряжение (Uᵣ). Берите с запасом: 1.5–2× для электролитов, минимум 2× для импульсных режимов; учитывайте всплески.
ESR (эквивалентное последовательное сопротивление). Важен при пульсирующих токах: низкий ESR снижает нагрев и пульсации. Для ШИМ-БП есть специальные Low ESR серии.
ESL (эквивалентная индуктивность). Ограничивает работу на ВЧ; маленькие SMD-MLCC ближе к идеалу.
Ток пульсаций / ripple current. Сколько переменной составляющей способен выдержать электролит без перегрева.
Температурный диапазон и стабильность. Керамика Class 2 меняет ёмкость с температурой и DC-смещением — критично в фильтрах точной частоты.
Утечка и диэлектрическая абсорбция. В прецизионных схемах хранения/измерения заряда это может искажать результат.
Собственная резонансная частота (SRF). На частотах выше SRF конденсатор начинает вести себя как индуктивность.
Срок службы (для электролитов). Зависит от температуры: грубое правило — при снижении на 10 °C ресурс удваивается.
Для синусоидального сигнала реактивное сопротивление конденсатора:
Xc = 1 / (2π f C).
Чем больше C и/или выше f, тем меньше Xc — сигнал проходит легче. Реальный импеданс Z(f) складывается из Xc, ESR и ESL и имеет минимум в районе собственной резонансной частоты. Именно поэтому рядом с микросхемой кладут несколько развязок разной ёмкости (например, 100 nF + 1 µF): суммарный импеданс ниже в широком диапазоне частот.
Введите ёмкость и частоту, чтобы получить Xc; для RC-цепи — сопротивление и ёмкость, чтобы оценить tau и 5tau; для оценки запаса — ёмкость и напряжение, чтобы узнать энергию ½·C·U².
Единицы: пФ, нФ, мкФ, мФ; кОм, МОм; кГц, МГц.
Параллельное соединение увеличивает ёмкость:
Cₛᵤₘ = C₁ + C₂ + …
Импеданс падает, доступный ток пульсаций растёт. Так набирают нужную ёмкость и снижают ESR.
Последовательное соединение увеличивает допустимое напряжение, но общая ёмкость уменьшается:
1/Cₛᵤₘ = 1/C₁ + 1/C₂ + … (для равных — Cₛᵤₘ = C/кол-во).
Для электролитов в последовательных «батареях» используют балансировочные резисторы, чтобы выровнять напряжения на элементах.
На схемах конденсатор обозначают литерой C. Символ — две параллельные «пластины»; у полярных ставят «+».
На корпусах указывают ёмкость, напряжение и допуск. На мелких керамических — трёхзначный код:
104 → 10 и 4 нулей = 100 000 пФ = 100 нФ.
Температурные классы пишут как C0G/NP0, X7R, X5R, Y5V и т. п.
Развязка питания микросхем. На каждый Vcc/GND — 0.1 µF (C0G/X7R) SMD 0603 максимально близко к ножкам + один 1–10 µF X5R/X7R на узел. Следите за DC-bias — фактическая C может падать.
Сглаживание после выпрямителя. Электролит Low ESR с запасом по напряжению 1.6–2× и достаточным ripple current; параллельно ему плёночный/керамический 100 nF для ВЧ-помех.
Аудиосвязь/развязка по сигналу. Плёночный (PP) или керамика C0G/NP0 — низкие потери и микрофоничность.
Снаббер RC на ключе. Плёночный на 100–630 В с низким ESR/ESL; номиналы рассчитывают от крутизны фронта и индуктивности.
Пуск однофазного двигателя. Специальные пусковые/рабочие конденсаторы для AC, неполярные, с нужным классом безопасности.
РЧ-контуры и точные фильтры. Керамика C0G/NP0 или качественная плёнка; допуск 1–5 %.
Перед работой разрядите конденсатор (через резистор, а не «накоротко», чтобы избежать искр и деградации выводов).
Полярность критична для электролитов: переполюсовка приводит к газовыделению, нагреву и разрушению диэлектрика.
Соблюдайте дерейтинг по напряжению и температуре. В импульсных/горячих узлах повышайте запас.
Для сетевых фильтров используйте только сертифицированные X/Y-конденсаторы.
Ресурс электролитов сильно зависит от температуры: каждое −10 °C ≈ в 2 раза дольше службы.
Мультиметр (режим измерения ёмкости). Даёт ориентировочную C; для больших электролитов часто «мимо» из-за утечек и времени зарядки.
ESR-метр. Лучший способ оценить состояние электролитов «на плате»: завышенный ESR → высох/деградировал.
Тест свыше номинала. При подозрении на пробой проверяют утечку/пробой под повышенным напряжением на стенде (соблюдайте технику безопасности).
Визуальный осмотр. Вздутие, потёки, трещины корпуса — повод к безусловной замене.
Конденсатор — это что?
Компонент, накапливающий заряд в электрическом поле между обкладками; основной параметр — ёмкость (Ф), энергия — ½·C·U².
Для чего нужен конденсатор в электрической цепи?
Сглаживание, развязка, формирование задержек, резонанс, фазосдвиг в моторах, подавление помех и кратковременное хранение энергии.
Почему конденсатор «не пропускает» постоянный ток?
После зарядки ток прекращается: напряжение на нём сравнивается с источником и ток через диэлектрик не течёт. При переменном — постоянно перезаряжается, и ток есть.
Что такое ESR и почему он важен?
Это внутренние потери. Высокий ESR увеличивает нагрев и пульсации; для импульсных БП берут Low ESR серии.
Можно ли ставить несколько конденсаторов параллельно?
Да: так увеличивают ёмкость и снижают импеданс. Хорошо работает «комбо» разных номиналов (100 nF + 1 µF).
Зачем в сети ставят X/Y-конденсаторы?
Они безопасно подавляют помехи на 230 В: X — между фазой и нулём, Y — между фазой/нулём и землёй. Это специальные, сертифицированные типы.
Чем суперконденсатор отличается от электролита?
Гораздо большей ёмкостью и способностью быстро отдавать/принимать энергию; но низким допустимым напряжением одного элемента, поэтому используют сборки с балансировкой.
Конденсатор — это накопитель энергии в электрическом поле, у которого «поведение» зависит от частоты: постоянный ток он блокирует после зарядки, а переменный — пропускает тем легче, чем больше ёмкость и частота. Поэтому в практике его используют для сглаживания и развязки, настройки частоты и фазосдвига, формирования задержек и быстрой импульсной отдачи энергии. Выбирая конденсатор, учитывайте тип диэлектрика, ёмкость и допуск, напряжение с дерейтингом, ESR/ESL, ripple-ток, температурный режим и ресурс. А правильная компоновка (разные номиналы рядом с нагрузкой, балансировка при последовательном включении, X/Y-классы в сети) обеспечивает надёжную и предсказуемую работу схемы.
