Конденсаторы

Что такое конденсатор

Конденсатор (capacitor) — две проводящие обкладки, разделённые изолятором (диэлектриком). Если подать на него напряжение U, на одной обкладке накопится заряд +Q, на другой −Q:

Q = C · U

C — ёмкость (capacitance), единица — фарад (Ф). Фарад — огромная величина, поэтому на практике встречаются пикофарады (пФ), нанофарады (нФ) и микрофарады (мкФ).

Рис. 2.2. Слева: конденсатор — две проводящие обкладки, разделённые диэлектриком; заряд Q = C·U. Справа: многослойный керамический конденсатор (MLCC) в разрезе. Десятки и сотни тонких обкладок соединены через одну с левым и правым выводом, поэтому крошечный корпус даёт большую ёмкость.

Аналогия: конденсатор — бак с резиновой мембраной посередине. Вода может давить на мембрану и растягивать её (это заряд), но протечь насквозь не может. Чем больше бак, тем больше воды он «впитает» при том же давлении.

Ток через конденсатор

Главное отличие от резистора: ток конденсатора пропорционален не напряжению, а скорости его изменения:

I = C · dU/dt

Отсюда два вывода, которые пригодятся постоянно:

1. Постоянный ток конденсатор не пропускает. Когда напряжение установилось, dU/dt = 0 и ток прекращается.
2. Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком. Для скачка понадобился бы бесконечный ток. Поэтому конденсатор «сглаживает» напряжение: на этом держатся фильтры питания и развязка.

Пример из учебника: ток 1 мА, заряжающий конденсатор 1 мкФ, поднимает напряжение на нём со скоростью 1000 В/с. За 10 мс — на 10 В.

Энергия в заряженном конденсаторе: W = C·U² / 2. Конденсатор её запасает и отдаёт, а не рассеивает в тепло, как резистор.

Соединения

Ёмкости соединяются «наоборот» по сравнению с резисторами:

• параллельно ёмкости складываются: C = C1 + C2;
• последовательно — как резисторы параллельно: C = C1·C2 / (C1 + C2).

RC-цепь и постоянная времени

Если заряжать конденсатор через резистор от источника U, напряжение растёт не линейно, а по экспоненте:

Uc(t) = U · (1 − e^(−t/RC))

Величина τ = R·C (тау) — постоянная времени. За время τ конденсатор заряжается до ≈63 %, за 3τ — до 95 %, за 5τ — практически полностью (>99 %).

Пример: R = 10 кОм, C = 10 мкФ → τ = 0,1 с. Через полсекунды конденсатор заряжен. Именно RC-цепи задают частоту нашего мультивибратора (уроки 3.8 и 3.9).

📖Из учебникагл. 1, §1.12–1.13, с. 27–33

Хоровиц сравнивает конденсатор с «частотно-зависимым резистором», а потом аккуратно показывает, почему он не рассеивает энергию: ток и напряжение сдвинуты по фазе. На с. 29 — сравнительная таблица типов (слюдяные, керамические, плёночные, электролитические, танталовые). Типы в ней — эпохи 1980-х, но логика выбора (точность, утечка, стабильность, размер) не устарела.

Типы конденсаторов на современных платах

Тип	Ёмкость	Плюсы	Минусы	Где ставят
Керамика C0G (NP0), класс 1	0,5 пФ — десятки нФ	стабильная: почти не зависит от температуры и напряжения	маленькая ёмкость	кварцы, фильтры, ВЧ, таймеры
Керамика X7R / X5R, класс 2	100 пФ — десятки мкФ	маленькая, дешёвая, низкое ESR	ёмкость падает под напряжением (DC bias) и с температурой	развязка питания, фильтры
Керамика Y5V / Z5U	до десятков мкФ	дёшево	ёмкость может упасть на 80 % — избегай	лучше не использовать
Алюминиевый электролит	1 мкФ — тысячи мкФ	большая ёмкость дёшево	полярный, высокое ESR, стареет (высыхает), крупный	накопительные (bulk) конденсаторы питания
Полимерный (алюм. или тантал.)	10 — 1000 мкФ	низкое ESR, стабильнее электролита	дороже	выходы импульсных преобразователей
Танталовый	1 — 470 мкФ	компактный, стабильный	полярный, боится бросков тока и переполюсовки: может загореться	питание, где мало места
Плёночный	1 нФ — десятки мкФ	точный, стабильный, без DC bias	крупный	звук, точные фильтры, сеть

Температурные коды керамики (EIA): C0G — изменение ±30 ppm/°C; X7R — ±15 % в диапазоне −55…+125 °C; X5R — ±15 % в −55…+85 °C; Y5V — от +22 до −82 % в −30…+85 °C.

Ловушка: DC bias

У керамики класса 2 (X5R, X7R) ёмкость уменьшается, когда на конденсаторе постоянное напряжение. Причина — физика диэлектрика: титанат бария — сегнетоэлектрик, и постоянное поле «замораживает» его поляризацию. У C0G такого эффекта нет.

Насколько сильно падает ёмкость, зависит от серии, корпуса и напряжения. Маленькие корпуса с высокой ёмкостью могут под рабочим напряжением потерять больше половины номинала. Поэтому:

• для конденсатора на шине 5 В бери номинальное напряжение с запасом (16 или 25 В), а не впритык;
• если ёмкость критична — смотри график DC bias в онлайн-инструменте производителя (у Murata — SimSurfing).

⚠️Внимание

Полярность. Электролитические и танталовые конденсаторы полярные. Перевёрнутый электролит греется, вздувается и может лопнуть, а тантал может загореться. У электролита полоса на корпусе обозначает минус, у танталового чип-конденсатора полоса обозначает плюс. На плате полярность обязательно показывают на шелкографии. Рабочее напряжение тантала многие производители рекомендуют снижать примерно вдвое относительно номинала — смотри руководство конкретного производителя.

Параметры, которые нужно указать при выборе

1. Ёмкость и допуск (керамика: ±5…20 %; электролиты: часто ±20 %).
2. Номинальное напряжение — с запасом не меньше чем 1,5–2 раза, у керамики класса 2 — с учётом DC bias.
3. Диэлектрик / тип — C0G, X7R, электролит…
4. Корпус — 0402, 0603, 0805 для керамики; диаметр × высота для электролитов.
5. ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) — для фильтров импульсных источников.

Маркировка. Керамику обычно не маркируют. На выводных конденсаторах встречается код в пикофарадах: 104 = 10·10⁴ пФ = 100 нФ, 221 = 220 пФ. На электролитах пишут прямо: 100µF 25V.

🛠Особенность Altium

В Altium конденсатор — тот же компонент с параметрами, но полезно, чтобы в Comment было видно и ёмкость, и напряжение, и диэлектрик (например, 100nF 50V X7R). Тогда на схеме сразу понятно, что именно стоит. У полярных конденсаторов посадочное место должно иметь метку «+» на шелкографии — это проверим при создании библиотек в модуле 8.

Практика

1. Конденсатор 100 мкФ заряжается через 1 кОм. Чему равна τ? Когда он зарядится практически полностью? (0,1 с; ≈ 0,5 с.)
2. Два конденсатора 10 мкФ последовательно и параллельно. Общая ёмкость? (5 мкФ и 20 мкФ.)
3. Код 473 на конденсаторе. Ёмкость? (47·10³ пФ = 47 нФ.)
4. Какой тип поставить у кварца на 22 пФ? (C0G — нужна стабильность.)

🧯 Типичные ошибки

Поставили 10 мкФ 6,3 В X5R на шину 5 В, а фильтрация хуже расчётной

Почему DC bias: при 5 В на конденсаторе с номиналом 6,3 В реальная ёмкость может быть в разы меньше номинала.

Как исправить Бери номинальное напряжение с запасом и корпус крупнее, проверяй график DC bias у производителя.

Электролит вздулся при первом включении

Почему Перепутана полярность, или напряжение выше номинала.

Как исправить Сверь «+» на шелкографии с полосой «−» на корпусе. Номинальное напряжение — с запасом.

В таймере или фильтре частота «плывёт» с температурой

Почему Использована керамика X7R или Y5V с большим температурным уходом.

Как исправить Для частотозадающих цепей бери C0G или плёнку.

Проверь себя

1. 1. Что происходит с током через конденсатор, когда напряжение на нём перестаёт меняться?

   Ток становится максимальнымТок прекращаетсяТок меняет направление
2. 2. R = 10 кОм, C = 1 мкФ. Чему равна постоянная времени?

   1 мс10 мс100 мс10 с
3. 3. У какого керамического диэлектрика ёмкость практически не зависит от приложенного напряжения?

   X7RX5RC0GY5V
4. 4. Какая полоса на корпусе алюминиевого электролитического конденсатора?

   Отмечает плюсОтмечает минусПоказывает напряжение

🎯Практическое задание~20 мин

Открой сайт любого крупного дистрибьютора (LCSC, Mouser, DigiKey) и найди керамический конденсатор 10 мкФ в корпусе 0805. Выпиши для трёх разных позиций: диэлектрик, номинальное напряжение, цену. Затем найди у производителя одной из них график DC bias и посмотри, сколько ёмкости останется при 5 В. Запиши вывод: какой из трёх ты поставил бы на шину 5 В.