Конденсатор наравне с резистором, один из распространённых элементов в радиотехнике. А, что такое КОНДЕНСАТОР? Умная книга говорит нам, что название произошло от французского: condensateur (condenser) и латинского condensare «сгущать». В современном варианте к нашему случаю — накапливать. Накапливать электрический заряд. С чего всё начиналось? С поиска того самого накапливания. Все эти конденсаторные мытарство присваивают Нидерландам, точнее городу Лейдену. А ещё точнее учёным из Лейденского университета ещё в XVII веке. Если будете искать на карте это на север от Гааги примерно километрах в 12-15?!
На мой взгляд открытие было сделано совершенно случайно?! И только потом дошло... Так, что прапрабабушкой конденсатора была лейденская банка рис1. Хотя первоначально это была бутылка! Почти как в России?! В конденсатор она превратилась лишь после того как воду в бутылке заменили на свинцовую фольгу, а руку учёного получившего удар током, второй слой снаружи! Вот такая сказка Андерсена... Только потом дошло, что бутылка(банка) лишь вариант современного конденсатора, представляющего собой до неприличия простую конструкцию! Это всего лишь две металлические пластины и диэлектрик между ними (в частности воздух)! Процесс накапливания электричества называется зарядкой конденсатора. В аккумуляторах это происходит долго и нудно, а здесь раз и всё! На рис1 внизу это и отображено. Батарея (элемент) подключенный к конденсатору заставляет электроны от одной пластины перетечь к другой. После зарядки и если ещё замкнуть пластины проводником произойдёт разряд с молниями треском, искрами... Либо Вас тупо «ударит» током (нужное подчеркнуть?!).
На рис2 Вы видите условные обозначения разных типов конденсаторов. Правда их несколько больше... Но я выбрал лишь те, что встречаются наиболее чаще и понятнее. Итак рис2a, — конденсатор, общее обозначение (постоянной ёмкости); b, — переменной; с, — подстроечный; d, — ёмкость зависящая от приложенного напряжения (варикап рис7a [Д901В]); e, — электролитический, полярный; g, — тоже электролитический, но неполярный и наконец рис2f, — спарка из двух секций конденсаторов переменной ёмкости. Такие спаренные могут состоять и из большего числа секций. В обычных радиоприёмниках как правило две секции. В связном приёмнике «Волна» и в моей радиостанции (трансивере), четыре секции.
На рис3 показаны примеры соединений конденсаторов: вверху параллельное, внизу последовательное. Под схемами формулы определяющие общую ёмкость данного варианта. И если в общем виде мы объединяем разные конденсатор, то на практике такое объединение происходит технологически. Вот на рис4 и показано устройство многослойного конденсатора. Розовая формула определяет ёмкость такого конденсатора. Где: k, — некий коэффициент; S, — площадь пластин, а скорее всего это площадь перекрытия пластин; n, — количество пластин в наборе. В нашем случае их пять; d, — расстояние между пластинами (толщина слоя диэлектрика). Особое внимание это диэлектрической проницаемости [эпсилон]! Как видите от её значения зависит и величина ёмкости (максимальная).
Диэлектрическая проницаемость абсолютная существует для каждой среды и имеет размерность фарада/метр. Фарада — единица измерения ёмкости конденсатора. Но на практике это мало употребляется. Большее значение имеет относительная проницаемость. А, относительная, относительно чего? Относительно проницаемости абсолютного вакуума. По определению относительная проницаемость не имеет размерности. К примеру проницаемость воздуха равна 1,00059 и как Вы догадались считается равной единице. Для чистой воды равна около 88! Стекло — 4-10. Для конденсаторов другой конфигурации свои формулы для расчёта, хотя в больше-меньшей степени содержат те же составляющие.
Познакомимся с некоторыми типами конденсаторов. Самый популярный в старые, добрые времена был бумажный конденсатор (тип). Вот на рис5 вы и видите развёртку такого конденсатора. В качестве пластин применяют ленты из алюминиевой фольги (шоколадки??), а диэлектриком служит бумага, пропитанная всякой ерундой. Потом всё это скручивают в рулон с выводами. Иногда рулон делают сплющенным, но это дело не меняет... Впоследствии стали применять металлизированную бумагу. На бумагу наносится методом вакуумного испарения металла. Конденсатор такого типа (К42-11) Вы и видите на рис6. На рис7 ОМБГ-1 такого же типа, но очень герметичный! С появлением химии стали применять вместо бумаги плёнку. Такой конденсатор Вы и видите на рис8. Позже начали применять и другие диэлектрики. Первым после бумаги применили слюду, диэлектрик с хорошими электрическими показателями. Так появился целый класс слюдяных конденсаторов. На рис11 конденсатор типа КСО. На рис11а тот же слюдяной, но в герметичном исполнении СГМ.
Но всё это были конденсаторы постоянной ёмкости, конечно со своими плюс-минус допусками и посадками... Но необходимость заставила изобретать КПЕ, — Конденсаторы Переменной Ёмкости. Первыми по-видимому появились с воздушным диэлектриком. Схематично Вы его (КПЕ) видите на рис9. Ничего особенного: две пластины, одна статор, неподвижная, а другая — ротор движущаяся с помощью оси. Между плоскостями воздушный зазор. Когда пластины занимают строго положение друг над другом, — ёмкость конденсатора максимальная! И наоборот, минимальная. На рисунке она некая средняя и определяется площадью пересечения Sp, подкращенная в красный цвет. На рис10 показан КПЕ реальный импортного производства. Как видите, множество как роторных, так и статорных пластин. Догадываетесь, что это всё сделано для увеличения максимальной ёмкости. Это КПЕ односекционный. Многосекционный выглядит как несколько секций в одном корпусе и с одной осью.
Самые внимательные могли заметить, что конфигурация пластин на рис9 и рис10 различная. И это не прихоть чертёжника?! Дело в том, что для разных целей закон изменения ёмкости может понадобиться разный! По грубой прикидке КПЕ на рис9 ПРЯМОЧАСТОТНЫЙ, а на рис10 ПРЯМОЁМКОСТНЫЙ. Ну, а там Вам решать какой Вам нужен и зачем?! Существует особая группа КПЕ с небольшими ёмкостями и маленькими габаритами. Это так называемые подстроечные КПЕ (триммер). Они, КПЕ могут быть как с воздушным диэлектриком, так и с твёрдым и в частности керамическим. Вот такой мини-КПЕ Вы и видите на рис12 чертёж, на рис12а общий вид кпе (КПК-1) с максимальным пределом изменения ёмкости от 8 до 30 пФ.
На рис12 на чертеже серебряное покрытие (сектора) я показал несколько утолщённым. Нижний сектор продолжается до расклёпанной втулки, соединённой механически с левым контактом (на рис12а он внизу). Для надёжности всё это пропаивается (как бы припой красного цвета). Аналогично и с верхним сектором. Он продлевается до соприкосновения с осью конденсатора и тоже пропаивается. Нижняя часть оси с проскальзыванием соединяется со вторым контактом (на рис12а он вверху).
На рис12а Вы видите диск со светлым (серебряным) сектором. Точно такой же сектор находится под ним, на нижнем основанием. В таком положении ёмкость КПК максимальная. При повороте диска на 180° минимальная. С меньшими габаритами КПК-М с примерно такими параметрами. Больших габаритов делались КПК-2 и КПК-3 с пределами от 25 до 150 пФ. Кто в шестидесятые увлекался самодельными транзисторными, карманными приёмниками помнят такие КПК-2 или КПК-3?! Их использовали в качестве элемента настройки. Конечно керамические, подстроечные КПЕ не рассчитаны были на продолжительную эксплуатацию как КПЕ на рис10, ну дык? Других-то, малогабаритных не было...
Как-то в мини-переписке с одним интернет-пользователем, он посетовал о том, что никак не может понять, что это такое обнаружил в старом радиоприёмнике?! Это что-то Вы и видите на рис7а. Вертикальной стержень, кусок толстого (относительно) медного провода (а, какого же ещё?). Сверху накручена спираль из тонкого очень изолированного провода. Верхний конец висит в воздухе, а нижний идёт в схему. Нижний кончик толстого провода соединятся с корпусом, с «земляным» проводником. Догадались, что это? Правильно, КПЕ малой емкости. Отматывая или наоборот, тонкий провод, этим меняем ёмкость. То есть это подстроечный КПЕ. Экономика должна быть экономной!!! В какой-то мере о таком КПЕ можно сказать и о полупроводниковых конденсаторах-диодах. Ёмкость p-n переходов может изменяться при изменении запирающего напряжения. В большей-меньшей степени это наблюдается у всех диодов. Но специально для этих целей выпускались (выпускаются) так называемые ВАРИКАПЫ. Вот такой Вы и видите на рис7b, Д901-В.
Со временем наряду с бумагой или взамен стали применять и другие диэлектрики: пластмассу, керамику, стекло... Да меняется технология изготовления, но суть-то от этого не меняется. Вот на рис13 конденсатор с керамическим диэлектриком дисковый; 13с — трубчатый; рис13d — так реально выглядит дисковый конденсатор. На керамику наносится тонкий слой металла (серебра). Припаиваются выводы и вперёд...
Рассмотрим ещё один тип «ненормальных» конденсаторов, — электролитических. В практике их коротко зовут «электролиты». Умная книга говорит, что греческое слово ЭЛЕКТРОЛИТ означает, вещество в котором перенос электричества происходит с помощью ИОНОВ. Ну, а далее как бы жидкость из какой-то химической гадости?.. Не буду вникать в химические страсти-мордасти, а начну с задачи которую решили с помощью этих электролитов?! Из розовой формулы видно, что нужно делать, чтобы повысить ёмкость? Правильно: увеличить площадь пластин S; уменьшить расстояние между пластинами d и увеличить электрическую проницаемость [эпсилон]!
Проницаемость, оно конечно хорошо, да вот только она зависит от вещества... Так, что оставим её на потом. Увеличение площади S приведёт к увеличению габаритов и стоимости. Уменьшение толщины диэлектрика d ослабит электрическую прочность... Начали изобретать всё это с увеличения S, но без увеличения её! А, это как? Очень просто, химической обработкой алюминиевых пластин (лент из фольги). В результате поверхность превратилась в лунный пейзаж (то яма, то канава?!) Что это дало? увеличение площади соприкосновения с диэлектриком так ещё сразу в трёх измерениях. Плюс ко всему по всей поверхности образовалась тонкая плёнка из окиси алюминия [Al2,O3]. Так ещё, получилась оксидированная поверхность, увеличившая общую площадь в 3-4 раза. Тонкая плёнка окиси уменьшила d! А, что потом? Как быть со второй половиной из чистого алюминия? Ведь он должен в результате соприкосновения должен плавно обтекать все эти оксидированные неровности! Вот тут-то на сцену и выполз этот самый ЭЛЕКТРОЛИТ! Он проник во все оксидированные поры, и всё стало на свои места!
Получив такую выгоду мы получили и бонус... Во-первых, толщина оксидной плёнки не позволяет применять конденсаторы в схемах с напряжением более 600 В. Во-вторых, из-за униполярности этой чёртовой плёнки... Короче конденсатор (электролитический) можно применять только в цепях постоянного тока! А, если, что?.. Как бабахнет... Да, делают всякие предохранители на всякий пожарный...
Жидкие электролиты сейчас не применяют. А какие? Сухие, а точнее бумажные или тканевые прокладки пропитывают вязким электролитом. Внутренне такой конденсатор похож на бумажный рис5. Только вместо одной из полос находится оксидированная (плюсовой вывод) и обычная гладкая фольга. А вместо бумаги прокладка с электролитом. Вот такие столбики Вы и видите на рис14а,с. На рис14а неполярный К50-6, а на рис14с полярный (по всей длине знаки минус!) импортный.
Особняком находится и тоже полярный, так называемый танталовый конденсатор. И тоже электролитический К52-2. Что в нём такого, что его так изогнуло?! Честно не знаю чего это его так изуродовали... Что там внутри? Нет, там нет всякой фольги бумаги и прочего... Зато есть пористый объёмнный кусок тантала. Тантал это элемент из той же таблицы Менделеева! Химический символ [Та] в V группе 6-го периода. В чём же кайф от этого тантала? Анодная [+] часть полярного сделана из прессованного порошка тантала и тоже оксидированного. Площадь соприкосновения значительно увеличена по сравнению с алюминиевыми конденсаторами тех же габаритов! диэлектрическая проницаемость плёнки (около 25!) даёт выигрыш в 2,5 раза. А всё вместе позволяет получить ёмкости в 3-10 раз больше чем в алюминиевых тех же габаритов. Всё это конечно хорошо, но тантал редкий и дорогой фрукт, а посему начали применять НИОБИЙ. В таблице Менделеева символ [Nb], всё в той же V группе, но пятого периода. Он более доступен и менее дорогой!
Нам с Вами осталось определиться с применением этого стада конденсаторов?! На зелёной и кофейного цвета формулах показана зависимость сопротивления конденсатора переменному току. Точнее от частоты этого тока?! Вот на этом и базируется основное его применение. При нулевой частоте (постоянный ток) сопротивление стремится к бесконечности и наоборот! Конечно накопительные качества учитываются, но всё же основное его частотные свойства. На рис14d наш знакомый детекторный приёмник и два конденсатора С1 в колебательном контуре КПЕ. С2 блокировочный, замыкает высокочастотные составляющие после детектора и почти не мешает низкочастотным (звуковым). На рис14е простенький выпрямитель, а С1 стоит для сглаживания пульсаций, блокируя частоту напряжения сети.