Основы конденсаторов

Ниже представлена некоторая теоретическая информация, которая поможет понять, что такое конденсатор и для чего он обычно нужен. Конденсатор — это небольшой (в большинстве случаев) электрический или электронный компонент на большинстве печатных плат, который может выполнять различные функции. Когда конденсатор помещается в цепь с активным током, электроны с отрицательного вывода скапливаются на ближайшей обкладке. Отрицательный заряд течет к положительному — именно поэтому отрицательный вывод является активным, хотя многие конденсаторы не являются поляризованными. Как только обкладка больше не может удерживать их, они принудительно проходят через диэлектрик на другую обкладку, тем самым вытесняя электроны обратно в цепь. Это называется разрядкой. Электрические компоненты очень чувствительны к перепадам напряжения, поэтому скачок питания может вывести из строя дорогостоящие детали. Конденсаторы стабилизируют постоянное напряжение для других компонентов, обеспечивая тем самым стабильное питание. Переменный ток выпрямляется диодами, поэтому вместо переменного тока возникают импульсы постоянного тока от нуля вольт до пиковых значений. Когда конденсатор, подключенный к линии питания, соединен с «землей», постоянный ток не проходит, но по мере заполнения конденсатора импульсом поток тока и эффективное напряжение снижаются. Когда входное напряжение падает до нуля, конденсатор начинает отдавать накопленный заряд; это сглаживает выходное напряжение и ток. Таким образом, конденсатор размещается последовательно с компонентом, позволяя поглощать скачки напряжения и сглаживать провалы, что, в свою очередь, поддерживает постоянное питание компонента.

Существует множество различных типов конденсаторов. Они часто по-разному используются в электрических цепях. Всем знакомые конденсаторы в виде круглых жестяных банок — это, как правило, электролитические конденсаторы. Они изготавливаются из одного или двух листов металла, разделенных диэлектриком. Диэлектриком может быть воздух (простейший конденсатор) или другие непроводящие материалы. Металлические фольгированные обкладки, разделенные диэлектриком, сворачиваются наподобие рулета и помещаются в корпус. Они отлично подходят для сглаживания пульсаций, но не очень эффективны на высоких частотах.

Вот конденсатор, который некоторые могут помнить еще со времен старых радиоприемников. Это многосекционный конденсатор в металлическом корпусе. Данный конкретный экземпляр — четырехсекционный. Это означает, что внутри одного корпуса находятся четыре отдельных конденсатора с различными характеристиками.

Керамические дисковые конденсаторы идеально подходят для высоких частот, но не годятся для общего сглаживания пульсаций, так как при высоких значениях емкости их размеры становятся слишком большими. В цепях, где критически важно поддерживать стабильность источника напряжения, обычно параллельно керамическому дисковому конденсатору устанавливается большой электролитический конденсатор. Электролитический конденсатор будет выполнять основную работу, а небольшой керамический дисковый конденсатор будет отфильтровывать высокочастотные помехи, которые пропускает большой электролитический конденсатор.

Затем идут танталовые конденсаторы. Они миниатюрны, но имеют большую емкость по отношению к своим размерам, чем керамические дисковые конденсаторы. Они стоят дороже, но широко используются на печатных платах малых электронных устройств.

Хотя старые бумажные конденсаторы были неполярными, на одном из их концов имелась черная полоска. Она указывала на сторону, где располагалась металлическая фольга (выполнявшая роль экрана). Конец с фольгированным экраном подключался к «земле» (или к низшему напряжению). Основная цель фольгированного экрана заключалась в увеличении срока службы бумажного конденсатора.

Вот тип конденсаторов, который нас интересует больше всего, когда речь идет об устройствах Apple (iDevices). Они очень малы по сравнению с перечисленными выше. Это конденсаторы для поверхностного монтажа (SMD). Несмотря на то что они миниатюрны, их функция остается прежней. Одной из важных характеристик, помимо номинала конденсаторов, является их «корпус». Существует стандартизация размеров этих компонентов, например, типоразмер 0201 — 0,6 мм x 0,3 мм (0,02" x 0,01"). Типоразмер керамических SMD-конденсаторов совпадает с корпусами для SMD-резисторов. Это делает практически невозможным определение того, является ли компонент конденсатором или резистором, просто визуально. Здесь приведено хорошее описание размеров в зависимости от номера корпуса.

SMD-компоненты на печатной плате

Крупные SMD-компоненты

Определить характеристики конденсатора можно несколькими способами. Первый, конечно, — это маркировка на самом конденсаторе.

Данный конкретный конденсатор имеет емкость 220 мкФ (микрофарад) с допуском 20%. Это означает, что фактическая емкость может составлять от 176 мкФ до 264 мкФ. Его номинальное напряжение составляет 160 В. Расположение выводов указывает на то, что это радиальный конденсатор. Оба вывода выходят с одной стороны, в отличие от осевого расположения, где выводы выходят с обеих сторон корпуса. Кроме того, полоска со стрелками на боковой стороне конденсатора указывает на полярность: стрелки направлены в сторону отрицательного вывода.

Теперь главный вопрос: как проверить конденсатор, чтобы понять, нужно ли его менять.

Для проверки конденсатора, установленного в схеме, потребуется ESR-метр. Если конденсатор выпаян из схемы, можно использовать мультиметр в режиме омметра, но только для простейшей проверки «да/нет». Этот тест покажет только то, полностью ли неисправен конденсатор. Он не определит, находится ли конденсатор в хорошем или плохом состоянии. Чтобы определить, работает ли конденсатор с нужным номиналом (емкостью), потребуется измеритель емкости. Конечно, это также верно и для определения характеристик неизвестного конденсатора.

Для данной вики используется самый дешевый измерительный прибор, который можно найти в любом хозяйственном магазине. Для этих тестов также рекомендуется использовать аналоговый мультиметр. Он наглядно показывает движение стрелки, в отличие от цифрового мультиметра, который отображает быстро меняющиеся цифры. Это позволит любому человеку выполнить проверку, не тратя целое состояние на приборы вроде Fluke.

Всегда разряжайте конденсатор перед проверкой, иначе вас может ожидать неприятный удар током. Очень маленькие конденсаторы можно разрядить, замкнув оба вывода отверткой. Лучший способ — разрядить конденсатор через нагрузку. В этом случае помогут провода с зажимами «крокодил» и резистор. Здесь представлен отличный сайт, где показано, как создать инструменты для разрядки.

Чтобы проверить конденсатор с помощью мультиметра, установите прибор на измерение высокого сопротивления (диапазон от 10 кОм до 1 МОм). Коснитесь щупами мультиметра соответствующих выводов конденсатора: красным к положительному, черным к отрицательному. Показания на приборе должны начаться с нуля, а затем медленно расти в сторону бесконечности. Это означает, что конденсатор находится в рабочем состоянии. Если показания остаются на нуле, значит, конденсатор не заряжается от батареи мультиметра, что говорит о его неисправности.

Это также работает с SMD-конденсаторами. Проверка проводится так же, стрелка мультиметра должна медленно двигаться в том же направлении.

Еще один тест, который можно выполнить, — проверка напряжения. Мы знаем, что конденсаторы накапливают разность потенциалов на своих обкладках, то есть напряжение. У конденсатора есть анод, на котором присутствует положительное напряжение, и катод, на котором отрицательное. Один из способов проверить работоспособность конденсатора — зарядить его напряжением, а затем измерить потенциал между анодом и катодом. Для этого необходимо подать постоянное напряжение на выводы конденсатора. Здесь очень важна полярность. Если конденсатор имеет положительный и отрицательный выводы, это поляризованный конденсатор (электролитический). Положительное напряжение должно подаваться на анод, а отрицательное — на катод. Не забудьте проверить маркировку на конденсаторе. Затем подайте напряжение, которое должно быть ниже номинального напряжения конденсатора, на несколько секунд. В этом примере конденсатор на 160 В будет заряжен от батареи 9 В постоянного тока в течение нескольких секунд.

После завершения зарядки отсоедините батарею от конденсатора. Используйте мультиметр и измерьте напряжение на выводах. Оно должно быть около 9 вольт. Напряжение будет быстро падать до 0 В, так как конденсатор разряжается через мультиметр. Если конденсатор не удерживает заряд, он неисправен и подлежит замене.

Конечно, проще всего проверить конденсатор с помощью измерителя емкости. Вот осевой конденсатор FRAKO GPF на 1000 мкФ, 40 В с допуском 5%. Проверка этого конденсатора измерителем емкости очень проста. На таких конденсаторах отмечен положительный вывод. Подсоедините к нему положительный (красный) щуп измерителя, а к противоположному — отрицательный (черный). Конденсатор показывает 1038 мкФ, что явно находится в пределах допуска.

Проверить SMD-конденсатор с помощью громоздких щупов может быть сложно. Можно либо припаять иглы к концам щупов, либо приобрести специальные пинцет-щупы (smart tweezers). Предпочтительным вариантом будет использование пинцета-щупа.

Некоторые конденсаторы не требуют тестирования для определения неисправности. Если при визуальном осмотре видны выпуклости на верхней части конденсатора, его необходимо заменить. Это самая распространенная поломка в блоках питания. При замене конденсатора крайне важно использовать компонент с таким же или более высоким номиналом. Никогда не заменяйте его конденсатором с меньшим номиналом.

Если на конденсаторе, который нужно заменить или проверить, нет никакой маркировки, потребуется принципиальная схема. На изображении ниже, взятом отсюда, показаны некоторые символы конденсаторов, используемые на схемах.

Этот фрагмент принципиальной схемы iPhone указывает как символ конденсатора, так и его номинал.

Эта вики содержит лишь самые базовые сведения о том, на что обращать внимание при работе с конденсаторами; она ни в коем случае не является исчерпывающей. Чтобы узнать больше о любых распространенных электронных компонентах, существует огромное количество хороших курсов — как онлайн, так и оффлайн.

Eaton Electronics

Maxwell

Digikey

Mouser