Основы конденсаторов — Конденсаторы — Основы электроники
Конденсаторы
В предыдущем разделе вы узнали, что индуктивность — это свойство катушки, которая создает электрическую энергию. храниться в магнитном поле вокруг катушки. Энергия запасается таким образом, чтобы противодействовать любым изменениям в текущий. Емкость аналогична индуктивности, поскольку она также вызывает накопление энергии. А конденсатор — это устройство, накапливающее электрическую энергию в электростатическом поле . Энергия сохраняется таким образом, чтобы противостоять любому изменению напряжения. То, как емкость сопротивляется изменению напряжения, объясняется далее в этом разделе. Однако сначала необходимо объяснить принципы электростатического поля применительно к емкости.
Электростатическое поле
Противоположные электрические заряды притягиваются друг к другу, подобно электрическим
заряды отталкиваются друг от друга. Причиной этого является существование электростатического поля.
Любая заряженная частица окружена невидимыми силовыми линиями, называемыми электростатическими силовыми линиями.
Эти силовые линии имеют некоторые интересные характеристики:
- Они поляризованы от положительного к отрицательному.
- Они излучаются заряженной частицей прямолинейно и не образуют замкнутых петель.
- Они обладают способностью проходить через любой известный материал.
- Они обладают способностью искажать орбиты сильно связанных электронов.
Изучите рисунок ниже. На этой фигуре изображены два разноименных заряда, окруженные своим электростатическим полем. Поскольку электростатическое поле поляризовано с положительной на отрицательную, стрелки показаны отходящими от поля. положительный заряд и к отрицательному заряду. Другими словами, поле от положительного заряда равно толкает, а поле от отрицательного заряда тянет. Эффект поля состоит в том, чтобы толкать и тянуть в отличие от сборов вместе.
Электростатическое поле притягивает две разноименно заряженные частицы.
На рисунке ниже показаны два одинаковых заряда с окружающим их электростатическим полем. Эффект электростатическое поле раздвигает заряды.
Электростатическое поле отталкивает две одинаково заряженные частицы.
Если два разноименных заряда поместить на противоположные стороны атома, самые внешние электроны которого не могут покинуть их орбиты, орбиты электронов искажены, как показано на рисунке ниже. Рисунок ниже (часть А) показывает нормальную орбиту. Часть (B) рисунка показывает ту же орбиту в присутствии заряженных частиц. Поскольку электрон имеет отрицательный заряд, положительный заряд притягивает электроны, притягивая электроны ближе к положительному заряду. Отрицательный заряд отталкивает электроны, отталкивая их дальше от отрицательного заряда. заряжать. Именно эта способность электростатического поля притягивать и отталкивать заряды позволяет конденсатору для хранения энергии.
Искажение орбитальных траекторий электронов из-за электростатической силы.
Простой конденсатор
Простой конденсатор состоит из двух металлических пластин, разделенных изолирующим материалом, называемым диэлектриком. как показано на рисунке ниже. Обратите внимание, что одна пластина подключена к положительной клемме аккумулятора; другая пластина подключена через замкнутый переключатель (S1) к отрицательной клемме аккумулятора. Помните, изолятор — это материал, электроны которого не могут легко покинуть свои орбиты. Из-за батареи напряжение, пластина А заряжена положительно, а пластина В заряжена отрицательно. Таким образом, между положительной и отрицательной пластинами создается электростатическое поле. Электроны на минусе пластины (пластина B) притягиваются к положительным зарядам на положительной пластине (пластина A).
Искажение электронных орбит в диэлектрике.
Обратите внимание, что орбиты электронов в диэлектрическом материале искажаются электростатическим полем.
Искажение возникает из-за того, что электроны в диэлектрике притягиваются к верхней пластине, будучи
отталкивается от нижней пластины.
Когда переключатель S1 размыкается, батарея удаляется из цепи и
заряд сохраняется конденсатором. Это происходит потому, что диэлектрический материал является изолятором, а
электроны в нижней пластине (отрицательный заряд) не могут достичь верхней пластины (положительный заряд).
Искаженные орбиты атомов диэлектрика плюс электростатическая сила притяжения между
две пластины удерживают положительные и отрицательные заряды в их исходном положении. Таким образом, энергия, которую
исходивший от аккумулятора, теперь хранится в электростатическом поле конденсатора.
Два немного разных символа для обозначения конденсатора показаны на рисунке ниже. Обратите внимание, что каждый символ состоит из двух пластин, разделенных промежутком, который представляет собой диэлектрик. Изогнутая пластина в (B) цифра указывает на то, что пластина должна быть подключена к отрицательной полярности.
Символы цепи для конденсаторов.
Фарада
Емкость измеряется в единицах, называемых фарад .
Конденсатор емкостью один фарад хранит один кулон (единицу
заряд (Q), равный 6,24 × 10 18 электронов) заряда при напряжении (В) в 1 вольт
прикладывается к выводам конденсатора. Это можно выразить формулой:
Фарад — очень большая единица измерения емкости. Для удобства микрофарад
(сокращенно мкФ) или пикофарад (сокращенно пФ). Один микрофарад равен 0,000001 или
1 × 10 -6 фарад, а один пикофарад равен 0,000000000001 фарад или
1 × 10
Факторы, влияющие на значение емкости
Значение емкости конденсатора зависит от трех факторов:
- Площадь пластин.
- Расстояние между плитами.
- Относительная диэлектрическая проницаемость (диэлектрическая проницаемость) материала между пластинами.
Площадь пластины
Вторым фактором, влияющим на емкость, является расстояние между пластинами . Электростатический силовые линии наиболее сильны, когда заряженные частицы, которые их создают, находятся близко друг к другу. Когда заряжен частицы раздвигаются дальше друг от друга, силовые линии ослабевают, и способность накапливать заряд уменьшается.
Третьим фактором, влияющим на емкость, является относительная диэлектрическая проницаемость
Диэлектрический материал,
или изолятор, оценивается по его способности реагировать на электростатические силовые линии с точки зрения цифры
называется относительная диэлектрическая проницаемость . Относительные диэлектрические проницаемости для некоторых распространенных
материалы приведены в следующем списке:| Относительная диэлектрическая проницаемость | |
|---|---|
| Вакуум | 1.0000 |
| Воздух | 1.0006 |
| Парафиновая бумага | 3,5 |
| Стекло | от 5 до 10 |
| Слюда | от 3 до 6 |
| Резина | от 2,5 до 35 |
| Дерево | от 2,5 до 8 |
| Глицерин (15°C) | 56 |
| Нефть | 2 |
| Чистая вода | 81 |
Обратите внимание на относительную диэлектрическую проницаемость вакуума.
Формула, используемая для расчета значения емкости:
где
C — емкость
A — Площадь одной пластины
D — Расстояние между пластинками
ε R — Относительная проницаемость (Dielectrectric Constric) из Насильственной константы
.
. . — диэлектрическая проницаемость вакуума (электрическая постоянная), ε 0 ≈ 8,854 × 10 -12 Ф/м
Пример :
Найдите емкость плоского конденсатора с парафиновой бумагой в качестве диэлектрика.
Дано: ε r = 3,5, d = 1 мм, А = 0,01 м 2
Решение :
Изучив приведенную выше формулу, вы можете увидеть, что емкость зависит от относительной диэлектрической проницаемости.
и площади пластин конденсатора, и обратно пропорционально расстоянию между пластинами.
Номинальное напряжение конденсаторов
При выборе или замене конденсатора для использования необходимо учитывать (1) значение желаемая емкость и (2) величина напряжения, которое должно быть приложено к конденсатору. Если приложенное напряжение на конденсаторе слишком велико, диэлектрик разрушится, и между конденсатором возникнет искрение. тарелки. Когда это происходит, конденсатор замыкается накоротко, и протекание постоянного тока через него может привести к повреждению других электронных компонентов. Каждый конденсатор имеет номинальное напряжение (рабочее напряжение), которое должно не превышаться.
Рабочее напряжение конденсатора – это максимальное напряжение, которое можно устойчиво прикладывать без
опасность разрушения диэлектрика. Рабочее напряжение зависит от типа материала, используемого в качестве
диэлектрика и от толщины диэлектрика. (Высоковольтный конденсатор с толстым диэлектриком должен
иметь относительно большую площадь пластины, чтобы иметь такую же емкость, как у аналогичного низковольтного конденсатора
имеющий тонкий диэлектрик.
) Рабочее напряжение также зависит от приложенной частоты, поскольку потери и
результирующий эффект нагрева увеличивается с увеличением частоты.
Конденсатор с номинальным напряжением 500 вольт постоянного тока нельзя безопасно подвергать воздействию переменного напряжения или пульсирующее постоянное напряжение, имеющее эффективное значение 500 вольт. Так как переменное напряжение 500 вольт (RMS) имеет пиковое значение 707 вольт, конденсатор, к которому он приложен, должен иметь рабочее напряжение при не менее 750 вольт. На практике конденсатор следует выбирать так, чтобы его рабочее напряжение было не менее 50 процентов. больше, чем максимальное действующее напряжение, которое должно быть приложено к нему.
Потери конденсатора
Потери мощности в конденсаторе могут быть связаны с диэлектрическим гистерезисом и диэлектрической утечкой. Диэлектрик
гистерезис можно определить как эффект в диэлектрическом материале, аналогичный гистерезису, обнаруженному в магнитном поле.
материал. Это результат изменения ориентации электронных орбит в диэлектрике из-за быстрого
изменение полярности сетевого напряжения. Величина потерь мощности из-за диэлектрического гистерезиса зависит
в зависимости от типа используемого диэлектрика. Вакуумный диэлектрик имеет наименьшие потери мощности.
Диэлектрическая утечка происходит в конденсаторе в результате тока утечки через диэлектрик. Обычно предполагается, что диэлектрик эффективно предотвращает протекание тока через конденсатор. Несмотря на то, что сопротивление диэлектрика чрезвычайно велико, через него протекает незначительный ток. обычно этот ток настолько мал, что для всех практических целей им можно пренебречь. Однако, если утечка через диэлектрическая проницаемость ненормально высока, произойдет быстрая потеря заряда и перегрев конденсатора.
Потери мощности конденсатора определяются потерями в диэлектрике. Если потери незначительны и
конденсатор возвращает в цепь полный заряд, он считается идеальным конденсатором с
потери мощности нулевые.
Обозначения конденсаторов
В этой статье показаны некоторые распространенные и не очень известные обозначения конденсаторов с кратким описанием.
Конденсатор общего назначения
Конденсатор общего назначенияКонденсатор представляет собой электронный компонент, накапливающий энергию в своем электрическом поле. Это символ универсального конденсатора. Это неполярный конденсатор с фиксированным значением емкости. Он может быть подключен в любом направлении. Второй символ представляет собой устаревшие символы конденсаторов, используемые для обозначения неполярных конденсаторов.
Поляризованный электролитический конденсатор
Поляризованный электролитический конденсатор Конденсаторы такого типа используют электролит в качестве одного из своих электродов, поэтому они поляризованы. Имеют положительные и отрицательные клеммы, а верхняя часть этих символов представляет положительные клеммы. Поляризованный конденсатор должен быть включен в цепь соответствующим образом, иначе он взорвется.
Первые два символа используются в Европе («новый» IEC), а следующие два символа — в США («старый» IEEE). 5 -й символ для обозначения конденсатора используется в Японии.
Переменный конденсатор
Переменный конденсаторЭтот символ обозначает переменную емкость, емкость которой может изменяться при нормальной работе. Емкость изменяется путем увеличения или уменьшения эффективной площади между пластинами, что влияет на емкость конденсатора. Они используются в схемах настройки LC.
Конденсатор подстроечный
Конденсатор подстроечныйЭто также переменный конденсатор, емкость которого используется для калибровки схемы во время ее изготовления или устранения неполадок. Емкость такого конденсатора обычно не изменяется пользователями во время работы.
Биполярный конденсатор
Биполярный конденсатор Они также известны как неполярные электролитические конденсаторы. Он изготовлен из двух электролитических конденсаторов в такой конструкции, что их можно использовать при любой полярности.
Они отличаются от обычных керамических неполярных конденсаторов большой емкостью.
Проходной конденсатор
Проходной конденсаторКонденсатор этого типа предназначен для питания постоянным током в радиочастотных системах. Он подает чистый сигнал постоянного тока, а также отфильтровывает от него любую радиочастотную составляющую.
Конденсатор, зависящий от напряжения
Конденсатор, зависящий от напряженияЕмкость такого конденсатора зависит от приложенного напряжения. Увеличение или уменьшение напряжения питания изменяет размер диэлектрического зазора между пластинами, что увеличивает емкость.
Конденсатор, зависящий от температуры
Конденсатор, зависящий от температурыЕмкость этих конденсаторов зависит от окружающей температуры. Повышение или понижение температуры может увеличивать или уменьшать емкость конденсатора. Они используются в приложениях для измерения температуры.
Дифференциальный конденсатор
Дифференциальный конденсатор Это переменный конденсатор с двумя рабочими статорами и одним общим ротором.
Перемещение ротора увеличивает емкость в одной секции и одновременно уменьшает ее в другой секции. Однако общая емкость остается неизменной.
Раздельный статорный конденсатор
Раздельный статорный конденсаторКак следует из названия, такой тип переменного конденсатора имеет два набора статоров, разделенных на 180°. Общий вал вращает ротор с такими же лопастями, разнесенными на 180°. Такие конденсаторы не имеют 9Ограничение 0 ° универсального переменного конденсатора.
Сдвоенный конденсатор
Сдвоенный конденсаторКомбинация двух переменных конденсаторов. Переменный ротор этих обоих конденсаторов управляется с помощью одного вала. Таким образом, они обеспечивают переменную емкость обоих конденсаторов за счет перемещения одного ротора.
Конденсатор-бабочка
Конденсатор-бабочка Переменный конденсатор такого типа имеет два отдельных статора, расположенных друг напротив друга, установленных на корпусе конденсатора.
