Как работает конденсатор

В простейшем виде конденсатор содержит два проводящих электрода, между которыми находится слой диэлектрика. Электродами могут быть пластины, фольга, металлизированная плёнка или многослойные проводящие области. Диэлектриком служит электрически изолирующий материал, выбранный под требуемые ёмкость, напряжение, температуру и частотные свойства.

Выводы или контактные площадки соединяют электроды с внешней цепью. Между электродами нет обычного проводящего соединения: при исправном диэлектрике заряд не проходит сквозь изоляционный слой как по проводу. Изменение тока во внешней цепи связано с перераспределением заряда на электродах и изменением электрического поля.

Конструкция зависит от типа компонента. В многослойном керамическом конденсаторе чередуются тонкие керамические и металлические слои, в плёночном используются плёнка и электроды, а в электролитическом диэлектриком служит тонкий оксидный слой. Эти различия рассматриваются отдельно на странице о видах конденсаторов.

Когда к выводам конденсатора прикладывают напряжение, источник перемещает заряд во внешней цепи. На одном электроде возникает избыток электронов, на другом – их недостаток. Между электродами формируется электрическое поле, которое поляризует диэлектрик.

Процесс можно представить последовательно:

1. Сразу после подключения напряжение на незаряженном конденсаторе начинает изменяться.
2. Во внешней цепи течёт ток, переносящий заряд к электродам.
3. По мере накопления заряда напряжение между электродами возрастает.
4. Когда при постоянном источнике напряжение конденсатора перестаёт изменяться, ток идеальной модели становится равным нулю.

В идеальном конденсаторе электроны не проходят сквозь диэлектрик от одного электрода к другому. Ток во внешних проводниках существует, пока изменяются заряд и электрическое поле. В реальном компоненте после завершения зарядки сохраняется небольшой ток утечки.

Накопленная энергия находится в электрическом поле. Если отключить источник и подключить нагрузку, поле уменьшается, заряд перераспределяется через внешнюю цепь, а конденсатор отдаёт часть сохранённой энергии.

Ёмкость C показывает, какой заряд Q накапливается при заданном напряжении U между электродами. Основная связь записывается так:

Ёмкость измеряют в фарадах. Один фарад соответствует отношению одного кулона заряда к одному вольту напряжения. В электронных устройствах часто применяются микрофарады, нанофарады и пикофарады.

Для простой модели двух параллельных пластин зависимость имеет вид:

Здесь S – площадь перекрытия электродов, d – расстояние между ними, ε0 – электрическая постоянная, а εr – относительная диэлектрическая проницаемость материала. Увеличение площади и диэлектрической проницаемости повышает ёмкость, увеличение расстояния между электродами – уменьшает её.

Эта формула объясняет общий принцип, но не предназначена для точного расчёта многослойного, свёрнутого или пористого промышленного конденсатора без данных о его внутренней геометрии. Номинальную ёмкость и условия её измерения берут из документации конкретного изделия.

При подключении к источнику постоянного напряжения идеальный незаряженный конденсатор сначала принимает ток. Напряжение на нём не может измениться мгновенно, а величина начального тока определяется сопротивлением и индуктивностью всей цепи, включая источник, проводники и сам компонент.

Связь тока со скоростью изменения напряжения выражается формулой:

Чем быстрее должно изменяться напряжение при той же ёмкости, тем больший ток требуется. По мере зарядки напряжение конденсатора приближается к напряжению источника, скорость его изменения уменьшается, а ток спадает. В установившемся режиме идеальный конденсатор эквивалентен разрыву для постоянного тока.

Реальный компонент сохраняет ток утечки через диэлектрик и изоляцию. После отключения источника напряжение может оставаться на выводах, если для разряда нет замкнутого пути.

При переменном напряжении его мгновенное значение постоянно меняется. Конденсатор попеременно накапливает и отдаёт заряд, поэтому во внешней цепи течёт переменный ток, хотя диэлектрик по-прежнему разделяет электроды.

Для идеального конденсатора модуль ёмкостного сопротивления определяется выражением:

Из формулы следуют три практических свойства:

• при увеличении частоты f ёмкостное сопротивление уменьшается;
• при увеличении ёмкости C сопротивление также уменьшается;
• при постоянном напряжении, когда частота равна нулю, идеальная модель после зарядки не проводит ток.

В идеальной синусоидальной цепи ток опережает напряжение на четверть периода, или 90°. Реальный фазовый сдвиг отличается из-за потерь, утечки и паразитной индуктивности.

Зависимость сопротивления от частоты позволяет использовать конденсаторы для разделения постоянной и переменной составляющих, фильтрации, развязки каскадов и подавления помех. Конкретное поведение определяется не только номинальной ёмкостью, но и конструкцией компонента.

Идеальная модель описывает только ёмкость и помогает анализировать основные процессы. Физический компонент дополнительно содержит сопротивления и индуктивность, а диэлектрик имеет конечную электрическую прочность.

ESR, паразитная индуктивность, ток утечки и свойства диэлектрика зависят от типа и конкретной серии. Поэтому одинаковая номинальная ёмкость не означает одинаковое поведение в источнике питания, высокочастотном фильтре или времязадающей цепи.