Накопить и отдать: как устроен конденсатор

О появлении первых устройств для хранения электричества и какие современные конденсаторы производятся на предприятиях Ростеха

Фото: НИИ «Гириконд»

В мае исполняется 85 лет НИИ «Гириконд», предприятию холдинга «Росэлектроника», стоявшему у истоков отрасли конденсаторостроения в нашей стране. Без конденсаторов – устройств для накопления энергии – сегодня невозможно представить современную электротехнику. Эти невидимые герои обеспечивают работу электродвигателей, автомобилей, насосов, электроинструмента, кондиционеров, холодильников, мобильных телефонов и многих-многих других устройств.

Изучаем, как были придуманы, из чего состоят и где применяются конденсаторы.
 

Как «закатать» электричество в банку

В середине XVIII века представления об электричестве были очень ограниченными: считалось, что это жидкость, и получали его тогда в основном методом трения. В 1745 году германский юрист, священник и физик в одном лице Эвальд Георг фон Клейст пытался сохранить заряд, думая, что он сможет провести электричество по проводу от машины трения к жидкости в стеклянной бутылке. Это ему удалось, причем вода и руки фон Клейста действовали во время опыта как проводники, а банка – как диэлектрик, хотя ученый сам не до конца понял принцип работы элементов своей системы.

Открытие лейденской банки в лаборатории Мюсшенбрука. Рисунок: wikimedia.org

Эти опыты вдохновили голландского ученого Питера ван Мюсшенбрука на создание так называемой лейденской банки, которую он показал в 1746 году в Лейденском университете. По устройству это действительно была стеклянная банка, покрытая внутри и снаружи фольгой примерно на 2/3 высоты и прикрытая крышкой. Через непроводящую крышку был выведен металлический стержень – электрод, соединенный с фольгой внутри. Эта банка могла хранить небольшое количество энергии и представляла собой прообраз современного конденсатора.

С появлением лейденской банки начинается активное изучение свойств электричества и электростатики, в частности Бенджамин Франклин хранил в ней заряд от молнии в своем знаменитом опыте с воздушным змеем. Подобные протоконденсаторы и по сей день можно увидеть в образовательных заведениях.

Сам термин «конденсатор» (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать») появился в 1780 году с легкой руки Алессандро Вольты, знаменитого итальянского физика и исследователя электричества, но прочно вошел в обиход только в 1920-е годы.
 

Хранители энергии

Современный конденсатор — это устройство в электротехнике, которое может хранить электрический заряд. Конденсаторы, как и лейденская банка, состоят из слоев электропроводящего материала (например, металлической фольги), разделенных слоями изолирующего материала − диэлектрика. Если к слоям конденсатора приложить электрическое напряжение, пластины накопят электрический заряд: одна положительный, другая отрицательный. Если затем снять внешнее напряжение, обкладки (пластины) конденсатора останутся заряженными. 

Простейший конденсатор может быть представлен, например, двумя фольгированными листами, разделенными слоем бумаги или пластика. Это создает простую структуру, способную накапливать заряд.

Простой демонстрационный конденсатор, сделанный из двух параллельных металлических пластин, в которых в качестве диэлектрика используется воздушный зазор. Фото: Hannes Grobe / wikimedia.org

Основная функция конденсатора — временное хранение электрической энергии. Он может использоваться в различных целях, включая фильтрацию сигналов, стабилизацию напряжения, подавление помех и др. К примеру, в аудиоустройствах конденсаторы могут использоваться для фильтрации высокочастотных шумов, обеспечивая более чистый звук. В блоках питания они помогают стабилизировать напряжение, предотвращая перепады и сглаживая выходной ток.

Фото: Eric Schrader / wikimedia.org

Размеры конденсаторов варьируются от масштабов, например, холодильника до микроскопических конденсаторов, встроенных в интегральные схемы. Ключевую характеристику устройств для хранения электрического заряда – их емкость − можно изменять, меняя площадь пластин, увеличивая или уменьшая расстояние между ними или используя различные материалы для непроводящих слоев.

В целом, конденсаторы являются важными компонентами в электронике, помогая улучшить производительность и надежность многих устройств.
 

Конденсаторостроение: от истоков до наших дней

В современной радиоэлектронике конденсаторы являются одними из самых массовых компонентов радиоэлектронной аппаратуры, а мировое конденсаторостроение представляет собой крупную индустрию с ежегодным ростом объема продаж. Родоначальником разработки и производства конденсаторов в нашей стране является основанный в 1939 году научно-исследовательский институт «Гириконд». В этом году предприятие Ростеха отмечает 85-летний юбилей.

Фото: НИИ «Гириконд»

«Гириконд» выпускает самые востребованные типы конденсаторов, в том числе керамические, танталовые, с органическим диэлектриком, тонкопленочные, с двойным электрическим слоем (ионисторы). Наиболее распространены керамические конденсаторы, и в основном они применяются там, где требуются малые размеры при относительно большой удельной емкости и широкий диапазон емкостей в широком интервале напряжений. Танталовые конденсаторы, которые относятся к классу конденсаторов с оксидным диэлектриком, характеризуются наиболее высокими удельным зарядом и удельной емкостью, большими значениями единичной емкости, их можно использовать при низких температурах. Конденсаторы с органическим диэлектриком характеризуются высоким сопротивлением изоляции и относительно высокой температурной стабильностью параметров. Тонкопленочные конденсаторы постоянной емкости разработаны для использования в СВЧ-устройствах и могут изготавливаться в ультраминиатюрных размерах. А главное достоинство ионисторов − фирменных конденсаторов «Гириконда» − это на несколько порядков большая емкость, чем у любых других классов конденсаторов.

В апреле НИИ «Гириконд» представил на выставке «ЭкспоЭлектроника-2024» линейку новых миниатюрных чипов-конденсаторов, которые могут применяться в составе мощной герметизированной аппаратуры для обеспечения телерадиосвязи и спутниковой навигации, а также в электронике, работающей в условиях электромагнитного излучения. Например, керамические конденсаторы К15-39 с номинальным напряжением от 1 до 10 кВ могут использоваться в аппаратуре, работающей в диапазонах от 3 до 3000 МГц. Изделия функционируют при температуре от –60 до +125 °С, имеют наработку не менее 20 000 часов в предельно допустимом режиме эксплуатации и срок годности не менее 25 лет.