Электротехника и электронные конденсаторы

28.01.2011 09:40­­Электротехника настолько прочно вошла в нашу жизнь, что мы практически не обращаем внимания на то, что в любое время мы со вс­ех сторон окружены электротехническим оборудованием различного назначения. Это оборудование обеспечивает стабильную работу всей инфраструктуры современной цивилизации, а так же приносит в наши дома все блага городской жизни. В большой степени работа всех этих устройств зависит от такой, казалось бы, маленькой и незначительной детали как электронный конденсат­ор.

Пассивные конденсаторы являются устройствами, осуществляющими накопление энергии электрического поля, а так же электрического заряда. С точки зрения конструкции, данные устройства представляют собой две разделенные диэлектриком электроды в форме пластин. При этом обкладка обладает гораздо большей толщиной, нежели диэлектрик.

Существует несколько основных видов устройств, которые отличаются в первую очередь моделями диэлектриков.

Традиционно в электротехнике применяются твердые органические, твердые неорганические, жидкие, газообразные и вакуумные диэлектрики. Впрочем, помимо этого существуют другие модели, которые используются в специфических областях электротехники.

Вакуумный конденсатор представляет собой устройство, в котором в роли диэлектрика выступает вакуум, которым заполнено все пространство между пластинами электродов. Что касается твердых неорганических устройств то в них роль диэлектрика, как правило, играет неорганическая пленка, керамика, слюда, стеклопленка, стеклокерамика или стекло эмаль.

Органические конденсаторы изготавливаются с применением таких материалов как бумага, органические виды синтетической пленки, металло-бумага, а так же некоторые комбинации этих материалов. Помимо этого в производстве электротехники широко применяются электролитические, а так же оксидно-полупроводниковые конденсаторы, которые характерны большим уровнем удельной емкости.

Существует другая классификация конденсаторов, согласно которой все устройства разделяются с точки зрения их геометрии. Среди всего многообразия можно выделить плоские, цилиндрические, а так же сферические конденсаторы. Наиболее распространенным видом конденсаторов принято считать низковольтные модели.

Все остальные виды конденсаторов, такие как импульсные конденсаторы, пусковые, дозиметрические, помехоподавляющие и высоковольтные модели являются приборами специального назначения и применяются в специфических моделях электроники.

Современные конденсаторы используются практически во всех моделях электротехники применяемой как в промышленности, так и в частном секторе. Подобные приборы применяются при производстве осветительного оборудования, электромагнитных ускорителей, импульсного лазерного оборудования, а так же различного рода генераторов. Так же конденсаторы применяются при создании колебательных контуров, цепей для которых необходимо создание частотно зависимости, а так же цепей обратной связи.

С точки зрения характеристики принято разделять все виды конденсаторов по следующим показателям:
• Температурный коэффициент сопротивления
• Рабочий температурный интервал
• Номинальное сопротивление

Благодаря современным технологиям порошковой обработки металла существует возможность создания конденсаторов различной формы в зависимости от требований бизнеса. Это могут быть бусинки, трубки, шайбы, стержни или диски.

Конденсаторы для электроустановок переменного тока

В статье «Конденсаторы: назначение, устройство, принцип действия» было рассказано об электролитических конденсаторах. В основном они применяются в цепях постоянного тока, в качестве фильтрующих емкостей в выпрямителях. Также без них не обойтись в развязывающих цепочках питания транзисторных каскадов, стабилизаторах и транзисторных фильтрах. При этом, как было сказано в статье, постоянного тока они не пропускают, а на переменном работать вовсе не хотят.

Для цепей переменного тока существуют неполярные конденсаторы, причем, множество их типов говорит о том, что условия работы очень разнообразные. В тех случаях, когда требуется высокая стабильность параметров, а частота достаточно высокая, применяются конденсаторы воздушные и керамические.

К параметрам таких конденсаторов предъявляются повышенные требования. В первую очередь это высокая точность (маленький допуск), а также незначительный температурный коэффициент емкости ТКЕ. Как правило, такие конденсаторы ставятся в колебательных контурах приемной и передающей радиоаппаратуры.

Если же частота невелика, например, частота осветительной сети или частоты звукового диапазона, то вполне возможно применение бумажных и металлобумажных конденсаторов.

Конденсаторы с бумажным диэлектриком имеют обкладки из тонкой металлической фольги, чаще всего алюминиевой. Толщина обкладок колеблется в пределах 5…10мкм, что зависит от конструкции конденсатора. Между обкладками вложен диэлектрик из конденсаторной бумаги, пропитанной изоляционным составом.

В целях повышения рабочего напряжения конденсатора бумага может быть положена в несколько слоев. Весь этот пакет скручивается, как ковровая дорожка, и помещается в корпус круглого или прямоугольного сечения. При этом, конечно, от обкладок делаются выводы, а корпус такого конденсатора ни с чем не соединен.

Бумажные конденсаторы используются в низкочастотных цепях при больших рабочих напряжениях и значительных токах. Одно из таких очень распространенных применений — включение трехфазного двигателя в однофазную сеть.

В металлобумажных конденсаторах роль обкладок выполняет распыленный в вакууме на конденсаторную бумагу тончайший слой металла, все того же алюминия. Конструкция конденсаторов такая же, как и бумажных, правда, габариты намного меньше. Область применения обоих типов примерно одинакова: цепи постоянного, пульсирующего и переменного тока.

Конструкция бумажных и металлобумажных конденсаторов, кроме емкости, обеспечивает этим конденсаторам еще и значительную индуктивность. Это приводит к тому, что на какой-то частоте бумажный конденсатор превращается в резонансный колебательный контур. Поэтому такие конденсаторы применяются лишь на частотах не более 1МГц. На рисунке 1 показаны бумажные и металлобумажные конденсаторы, выпускавшиеся в СССР.

Рисунок 1. Бумажные и металлобумажные конденсаторы для цепей переменного тока

Старинные металлобумажные конденсаторы имели свойство самовосстановления после пробоя. Это были конденсаторы типов МБГ и МБГЧ, но теперь их заменили конденсаторы с керамическим или органическим диэлектриком типов К10 или К73.

В некоторых случаях, например, в аналоговых запоминающих устройствах, или по другому, устройствах выборки-хранения (УВХ) к конденсаторам предъявляются особые требования, в частности, малый ток утечки. Тогда на помощь приходят конденсаторы, диэлектрики которых выполнены из материалов с высоким сопротивлением. В первую очередь это фторопластовые, полистирольные и полипропиленовые конденсаторы. Несколько меньшее сопротивление изоляции у слюдяных, керамических и поликарбонатных конденсаторов.

Эти же конденсаторы используются в импульсных схемах, когда требуется высокая стабильность. В первую очередь для формирования различных временных задержек, импульсов определенной длительности, а также для задания рабочих частот различных генераторов.

Чтобы временные параметры схемы были еще более стабильны, в некоторых случаях рекомендуется использовать конденсаторы с повышенным рабочим напряжением: ничего плохого нет в том, чтобы в схему с напряжением 12В установить конденсатор с рабочим напряжением 400 или даже 630В. Места такой конденсатор займет, конечно, побольше, но и стабильность работы всей схемы в целом тоже увеличится.

Электрическая емкость конденсаторов измеряется в Фарадах Ф (F), но это величина очень большая. Достаточно сказать, что емкость Земного шара не превышает 1Ф. Во всяком случае, именно так написано в учебниках физики. 1 Фарада это емкость, при которой при заряде q в 1 кулон разность потенциалов (напряжение) на обкладках конденсатора составляет 1В.

Из только что сказанного следует, что Фарада величина очень большая, поэтому на практике чаще используются более мелкие единицы: микрофарады (мкФ, µF), нанофарады (нФ, nF) и пикофарады (пФ, pF). Эти величины получаются с помощью использования дольных и кратных приставок, которые показаны в таблице на рисунке 2.

Рисунок 2.

Современные детали становятся все меньше, поэтому не всегда удается на них нанести полную маркировку, все чаще пользуются различными системами условных обозначений. Все эти системы в виде таблиц и пояснений к ним можно найти в интернете. На конденсаторах, предназначенных для SMD монтажа, чаще всего не ставится вообще никаких обозначений. Их параметры можно прочитать на упаковке.

Для того, чтобы выяснить, как ведут себя конденсаторы в цепях переменного тока, предлагается проделать несколько простейших опытов. При этом, каких-то особых требований к конденсаторам не предъявляется. Вполне подойдут самые обычные бумажные или металлобумажные конденсаторы.

Конденсаторы проводят переменный ток

Чтобы убедиться в этом воочию, достаточно собрать несложную схему, показанную на рисунке 3.

Рисунок 3.

Сначала надо включить лампу через конденсаторы C1 и C2, соединенные параллельно. Лампа будет светиться, но не очень ярко. Если теперь добавить еще конденсатор C3, то свечение лампы заметно увеличится, что говорит о том, что конденсаторы оказывают сопротивлению прохождению переменного тока. Причем, параллельное соединение, т.е. увеличение емкости, это сопротивление снижает.

Отсюда вывод: чем больше емкость, тем меньше сопротивление конденсатора прохождению переменного тока. Это сопротивление называется емкостным и в формулах обозначается как Xc. Еще Xc зависит от частоты тока, чем она выше, тем меньше Xc. Об этом будет сказано несколько позже.

Другой опыт можно проделать используя счетчик электроэнергии, предварительно отключив все потребители. Для этого надо соединить параллельно три конденсатора по 1мкФ и просто включить их в розетку. Конечно, при этом надо быть предельно осторожным, или даже припаять к конденсаторам стандартную штепсельную вилку. Рабочее напряжение конденсаторов должно быть не менее 400В.

После этого подключения достаточно просто понаблюдать за счетчиком, чтобы убедиться, что он стоит на месте, хотя по расчетам такой конденсатор эквивалентен по сопротивлению лампе накаливания мощностью около 50Вт. Спрашивается, почему не крутит счетчик? Об этом тоже будет рассказано в следующей статье.

Борис Аладышкин

Источник: http://electrik.info

Основы электрического конденсатора ~ Изучение электротехники

Конденсаторы представляют собой электрические устройства, обладающие емкостью. Конденсаторы противостоят изменениям напряжения с течением времени, создавая ток. Такое поведение делает конденсаторы полезными для стабилизации напряжения в цепях постоянного тока. Один из способов представить конденсатор в цепи постоянного тока — это временный источник напряжения, всегда «желающий» поддерживать напряжение на своих клеммах на одном уровне. Типичный конденсатор состоит из двух параллельных проводящих пластин, разделенных изолятором, называемым диэлектриком, как показано ниже:

Конденсатор с параллельными пластинами

Конденсаторы имеют номинальное напряжение, а также номинальную емкость. Различные символы, используемые для представления конденсаторов на схемах, показаны ниже:

Символы конденсации

емкость капитала в капсуате. электрический заряд. Чем больше емкость, тем больше сохраняется электрического заряда. Емкость плоского конденсатора определяется по формуле:

C = ЄA/d

Где:

C = емкость конденсатора в фарадеях (Ф). Единицами измерения могут быть микрофарды (мкФ) или пикофарады (пФ)

Є = электрическая проницаемость диэлектрического материала

A = площадь пластин конденсатора

d = расстояние между пластинами

Выходная емкость конденсатора увеличится, если используется более диэлектрический материал, либо если площадь пластин увеличена, либо если расстояние между пластинами уменьшено.

Поток постоянного тока через конденсатор :

Связь между напряжением и током в конденсаторе определяется выражением:

I = CdV/dt.

Когда конденсатор, который изначально разряжен, подключается к источнику постоянного напряжения, он имеет тенденцию потреблять большой ток. В процессе заряда напряжение на конденсаторе возрастает, а зарядный ток уменьшается. После того, как конденсатор получил достаточный заряд, напряжение на конденсаторе становится равным приложенному напряжению, и ток прекращается. После зарядки конденсатора это выглядит как обрыв в цепи постоянного тока.

Энергия, хранящаяся в конденсаторе

Энергия, хранящаяся в конденсаторе, дается:

E = ½ CV2 = 1/2QV

Конденсации в серии и параллель

. Замена капиталов. в параллели. Уменьшается при последовательном соединении конденсаторов:

C(параллельно) = C1+C2+…+Cn

C(последовательно) = 1/[1/C1 + 1/C2+ …. +1/Cn]

Поток переменного тока через конденсатор

Если переменное напряжение подается на чистый конденсатор, ток достигает максимума, когда напряжение начинает расти от нуля, и ток равен нулю, когда напряжение на конденсаторе максимально. Ток опережает приложенное напряжение на 90°, как показано ниже:

Вектор напряжения-тока конденсатора с переменным током через него.

Емкостное реактивное сопротивление

Противодействие протеканию переменного тока в чисто емкостной цепи, измеряемое в омах. Емкостное сопротивление находится по формуле:

XC = 1/2πFC

Где:

XC = емкостное реактивное сопротивление

F = частота

C = емкостное

PF DF на конденсаторах — технический пул. Технические бюллетени   / Конденсаторы… ПФ? ДФ? В?

Посмотреть в формате PDF

В любом электрическом устройстве, включая конденсаторы, когда мы подаем определенное количество общей мощности (энергии) в устройство, мы получаем от него меньшее количество. Разница между суммами на входе и выходе «теряется» или используется внутри устройства и называется «потерей мощности». Если теперь мы разделим эти «потери мощности» на входную мощность, полученное значение отношения будет «коэффициентом мощности» устройства. Таким образом, «коэффициент мощности» (PF) является прямой мерой «неэффективности» конденсатора, поскольку он предоставляет нам измерительный инструмент для определения того, какая часть общей мощности, подаваемой на конденсатор, используется самим конденсатором и поэтому он не может выполнять другую «полезную» работу.

Прежде чем двигаться дальше, будет полезно рассмотреть некоторые фундаментальные понятия, касающиеся приложения синусоидального напряжения к конденсатору.

Хотя конденсатор по своей природе в основном емкостной, он содержит очень небольшое количество резистивных и индуктивных элементов. Эти распределенные элементы резистора и катушки индуктивности могут быть объединены в одно значение для целей расчета, как показано в следующей эквивалентной схеме.

Итак, у нас есть схема, содержащая все три первичных элемента сопротивления, индуктивности и емкости. Это означает, что приложение синусоидального напряжения к конденсатору установит фундаментальное векторное соотношение между напряжениями и токами в каждом элементе следующим образом:

Обратите также внимание, что, поскольку R, L и Care включены последовательно в нашей цепи, ток цепи (I) является одним и тем же током, который проходит через все элементы (по величине), и поэтому: напряжения, закон Ома должен быть изменен, чтобы использовать импедансы и реактивные сопротивления в дополнение к сопротивлению. То есть —

Соотношение мощности нашей схемы:

Нарисовав векторное соотношение, наше уравнение мощности:

КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ

«Потеря мощности» в конденсаторе — это та часть общей мощности, подаваемой на конденсатор, которая не накапливается в конденсаторе мгновенно. Когда ток проходит через элемент последовательного сопротивления, он выделяет тепло, и это и есть «потеря мощности», которая нас интересует. Здесь следует отметить, что все потери энергии (из-за выводов, диэлектрической поляризации, соединений и вихревых токов в материале электродов) учитываются элементом «эквивалентное последовательное сопротивление». Анализ уравнения мощности показывает:

Итак, мы видим, что в своей простейшей форме коэффициент мощности представляет собой отношение эквивалентного последовательного сопротивления к полному сопротивлению устройства.

Коэффициент рассеяния

За исключением электролитических конденсаторов и конденсаторов большой мощности, в большинстве устройств с обмоткой из диэлектрика вместо коэффициента мощности (PF) используется коэффициент, известный как «коэффициент рассеяния» (OF). По определению, эта DF представляет собой отношение эквивалентного последовательного сопротивления к реактивному сопротивлению. Для сравнения видим, что:

Легко видеть, что если X и Z практически идентичны (что было бы в случае, когда o приближается к 90°), то PF и OF также были бы практически идентичны.

Для любой заданной единицы анализ ошибки расхождения в уравнении DF=PF показывает:

Мы видим, что для всех значений OF=0,1 O (10% OF) или меньше ошибка в допущении DF= PF будет 0,5% или меньше.

Причина использования DF в качестве параметра вместо PF заключается в том, что определение значений PF требует гораздо более сложного оборудования и процедур по сравнению с простым методом сравнения, используемым для измерения DF.

DF является удобным, несколько искусственным методом, с помощью которого можно отметить «неэффективность» конденсатора.

Q (коэффициент качества)

«Q» или «фактор качества» устройства также является искусственным измерением, которое удобно позволяет обозначать «неэффективность» (или потери мощности) этого устройства.

По определению а представляет собой отношение реактивного сопротивления к последовательному сопротивлению. Затем это показывает следующее соотношение:

или: а является обратной величиной DF.