назначение, устройство, принцип действия. Как устроен конденсатор

Конденсатор (capacitor, cap) — это маленький «аккумулятор», который быстро заряжается при наличии напряжения вокруг него и быстро разряжается обратно, когда напряжения недостаточно для удержания заряда.

Основной характеристикой конденсатора является ёмкость. Она обозначается символом C , единица её измерения — Фарад. Чем больше ёмкость, тем больший заряд может удерживать конденсатор при заданном напряжении. Также чем больше ёмкость, тем меньше скорость зарядки и разрядки.

Типичные значения, применяемые в микроэлектронике: от десятков пикофарад (pF, пФ = 0.000000000001 Ф) до десятков микрофарад (μF, мкФ = 0.000001). Самые распростронённые типы конденсаторов: керамический и электролитический. Керамические меньше по размеру и обычно имеют ёмкость до 1 мкФ; им всё равно какой из контактов будет подключен к плюсу, а какой — к минусу. Электролитические конденсаторы имеют ёмкости от 100 пФ и они полярны: к плюсу должен быть подключен конкретный контакт. Ножка, соответствующая плюсу, делается длинее.

Конденсатор представляет собой две пластины, разделённые слоем диэлектрика. Пластины скапливают заряд: одна положительный, другая отрицательный; тем самым внутри создаётся напряжение . Изолирующий диэлектрик не даёт внутреннему напряжению превратиться во внутренний ток , который бы уравнял пластины.

Зарядка и разрядка

Рассмотрим такую схему:

Пока переключатель находится в положении 1, на конденсаторе создаётся напряжение — он заряжается. Заряд Q на пластине в определённый момент времени расчитывается по формуле:

C — ёмкость, e — экспонента (константа ≈ 2.71828), t — время с момента начала зарядки. Заряд на второй пластине по значению всегда точно такой же, но с противоположным знаком. Если резистор

R убрать, останется лишь небольшое сопротивление проводов (оно и станет значением R ) и зарядка будет происходить очень быстро.

Изобразив функцию на графике, получим такую картину:

Как видно, заряд растёт не равномерно, а обратно-экспоненциально. Это связанно с тем, что по мере того, как заряд копится, он создаёт всё большее и большее обратное напряжение V c , которое «сопротивляется» V in .

Заканчивается всё тем, что V c становится равным по значению V in и ток перестаёт течь вовсе. В этот момент говорят, что конденсатор достиг точки насыщения (equilibrium). Заряд при этом достигает максимума.

Вспомнив Закон Ома , мы можем изобразить зависимость силы тока в нашей цепи при зарядке конденсатора.

Теперь, когда система находится в равновесии, поставим переключатель в положение 2.

На пластинах конденсатора заряды противоположных знаков, они создают напряжение — появляется ток через нагрузку (Load). Ток пойдёт в противоположном направлении, если сравнивать с направлением источника питания. Разрядка тоже будет происходить наоборот: сначала заряд будет теряться быстро, затем, с падением напряжения создаваемого им же, всё медленее и медленее. Если за Q 0 обозначить заряд, который был на конденсаторе изначально, то:

Эти величины на графике выглядят следующим образом:

Опять же, через некоторое время система придёт в состояние покоя: весь заряд потеряется, напряжение исчезнет, течение тока прекратится.

Если снова воспользоваться переключателем, всё начнётся по кругу. Таким образом конденсатор ничего не делает кроме как размыкает цепь когда напряжение постоянно; и «работает», когда напряжение резко меняется. Это его свойство и определяет когда и как он применяется на практике.

Применение на практике

Среди наиболее распространённых в микроэлектронике можно выделить такие шаблоны:

Резервный конденсатор (bypass cap) — для уменьшения ряби напряжения питания

Фильтрующий конденсатор (filter cap) — для разделения постоянной и изменяющейся составляющих напряжения, для выделения сигнала

Резервный конденсатор

Многие схемы расчитаны на получение постоянного, стабильного питания. Например 5 В. Их им поставляет источник питания. Но идеальных систем не существует и в случае резкого изменения потребления тока устройством, например когда включается компонент, источник питания не успевает «отреагировать» моментально и происходит кратковременный спад напряжения. Кроме того, в случаях когда провод от источника питания до схемы достаточно длинный, он начинает работать как антенна и тоже вносить нежелательный шум в уровень напряжения.

Обычно отклонение от идеального напряжения не превышает тысячной доли вольта и это являние абсолютно незначительно, если речь идёт о питании, например, светодиодов или электродвигателя. Но в логических цепях, где переключение логического нуля и логической единицы происходит на основе изменения малых напряжений, шумы питания могут быть ошибочно приняты за сигнал, что приведёт к неверному переключению, которое по принципу домино поставит систему в непредсказуемое состояние.

Для предотвращения таких сбоев, непосредственно перед схемой ставят резервный конденсатор

В моменты, когда напряжение полное, конденсатор заряжается до насыщения и становится запасом резервного заряда. Как только уровень напряжения на линии падает, резервный конденсатор выступает в роли быстрой батарейки, отдавая накопленный ранее заряд, чтобы заполнить пробел пока ситуация не нормализуется. Такая помощь основному источнику питания происходит огромное количество раз ежесекундно.

Если рассуждать с другой точки зрения: конденсатор выделяет из постоянного напряжения переменную составляющую и пропуская её через себя, уводит её с линии питания в землю. Именно поэтому резервный конденсатор также называют «bypass capacitor».

В итоге, сглаженное напряжение выглядит так:

Типичный конденсаторы, который используется для этих целей — керамические, номиналом 10 или 100 нФ. Большие электролитические слабо подходят на эту роль, т.к. они медленее и не смогут быстро отдавать свой заряд в этих условиях, где шум обладает высокой частотой.

В одном устройстве резервные конденсаторы могут присутствовать во множестве мест: перед каждой схемой, представляющей собой самостоятельную единицу. Так, например, на Arduino уже есть резервные конденсаторы, которые обеспечивают стабильную работу процессора, но перед питанием подключаемого к нему LCD экрана должен быть установлен свой собственный.

Фильтрующий конденсатор

Фильтрующий конденсатор используется для снятия сигнала с сенсора, который передаёт его в форме изменяющегося напряжения. Примерами таких сенсоров являеются микрофон или активная Wi-Fi антенна.

Рассмотрим схему подключения электретного микрофона. Электретный микрофон — самый распространённый и повсеместный: именно такой применяется в мобильных телефонах, в компьютерных аксессуарах, системах громкой связи.

Для своей работы микрофон требует питания. В состоянии тишины, его сопротивление велико и составляет десятки килоом. Когда на него воздействует звук, затвор встроенного внутри полевого транзистора открывается и микрофон теряет внутреннее сопротивление. Потеря и восстановление сопротивления происходит много раз ежесекундно и соответствует фазе звуковой волны.

На выходе нам интересно напряжение только в те моменты, когда звук есть. Если бы не было конденсатора C , на выход всегда бы дополнительно воздействовало постоянное напряжение питания.

C блокирует эту постоянную составляющую и пропускает только отклонения, которые и соответствуют звуку.

Слышимый звук, который нам и интересен, находится низкочастотном диапазоне: 20 Гц — 20 кГц. Чтобы выделить из напряжения именно сигнал звука, а не высокочастотные шумы питания, в качестве C используется медленный электролитический конденсатор номиналом 10 мкФ. Если был бы использован быстрый конденсатор, например, на 10 нФ, на выход прошли бы сигналы, не связанные со звуком.

Обратите внимание, что выходной сигнал поставляется в виде отрицательного напряжения. То есть при соединении выхода с землёй, ток потечёт из земли к выходу. Пиковые значения напряжения в случае с микрофоном составляют десятки милливольт. Чтобы перевернуть напряжение обратно и увеличить его значение, выход

V out обычно подключают к операционному уселителю.

Соединение конденсаторов

Если сравнивать с соединением резисторов , расчёт итогового номинала конденсаторов выглядит наоборот.

При параллельном соединении суммарная ёмкость суммируется:

При последовательном соединении, итоговая ёмкость расчитывается по формуле:

Если конденсатора всего два, то при последовательном соединении:

В частном случае двух одинаховых конденсаторов суммарная ёмкость последовательного соединения равна половине ёмкости каждого.

Предельные характеристики

В документации на каждый конденсатор указано максимальное допустимое напряжение. Его превышение может привести к пробою диэлектрика и взрыву конденсатора. Для электролитических конденсаторов обязательно должна быть соблюдена полярность. В противном случае либо вытечет электролит, либо опять же будет взрыв.

Почему конденсатор не пропускает постоянный ток, но зато пропускает переменный?

1. Конденсатор не пропускает ток он может только заряжаться и разряжаться
   На постоянном токе конденсатор заряжается 1 раз а дальше становится бесполезным в цепи.
   На пульсирующем токе когда напряжение повышается он заряжается (накапливает в себе электрическую энергию) , а когда напряжение от максимального уровня начинает снижаться он возвращает энергию в сеть стабилизируя при этом напряжение.
   На переменном токе когда напряжение возрастает от 0 к максимуму конденсатор заряжается, когда снижается от максимума до 0 разряжается возвращая энергию обратно в сеть, когда полярность меняется все происходит точно также но с другой полярностью.
2. Ток течт только до тех пор, пока конденсатор заряжается.
   В цепи постоянного тока конденсатор заряжается сравнительно быстро, после чего ток уменьшается и практически прекращается.
   В цепи переменного тока конденсатор заряжается, затем напряжение меняет полярность, он начинает разряжаться, а потом заряжаться в обратную сторону, и т. д. — ток течт постоянно.
   Ну представьте себе банку, в которую можно налить воду только до тех пор, пока она не заполнится. Если напряжение постоянное, банка заполнится и после этого ток прекратится. А если напряжение переменное — вода в банку заливается — выливается — заливается и т. д.
3. конденсатор работает как в переменном токе так и в постоянном, т. к. он заряжается на постоянном токе и не может никуда деть ту энергию, для этого в цепь соединяют через ключ обратную ветвь, для смены полярности, чтобы его разрядить и освободить место для новой порции, неа переменном на оборот, кандр заряжается и разряжается за счет перемены полярностей….
4. спасибо ребята за классную информацию!!!
5. в чисто физическом плане: конденсатор — есть развыв цепи, т. к. его прокладки не соприкасаются друг с другом, между ними диэлектрик. а как мы знаем диэлектрики не проводят электричесний ток. поэтому постоянный ток через него и не идт.
   хотя.. .
   Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора) , по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течет, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора.

   а для переменного тока конденсатор является частью колебательного контура. он играет роль накопителя электрической энергии и в сочетаниии с катушкой, они прекрасно сосуществуют, переобразовывая электрическую энегрию в магнитную и обратно со скоростью/частотой равной их собственной omega = 1/sqrt(C*L)

   пример: такое явление как молния. думаю слышал. хотя плохой пример, там зарядка происходит через электризацию, изза трения атмосферного воздуха о поверхность земли. но пробой всегда как и в конденсаторе происходит только при достижении так называемого пробивного напряжения.

   не знаю, помогло ли тебе это 🙂

6. Конденсатор на самом деле не пропускает сквозь себя ток. Конденсатор сначала накапливает на своих обкладках заряды — на одной обкладке избыток электронов, на другой недостаток — а потом отдает их, в результате во внешней цепи электроны бегают туда-сюда — с одной обкладки убегают, на вторую прибегают, потом обратно. То есть движение электронов туда-сюда во внешней цепи обеспечивается, в ней идет ток — но не внутри конденсатора.
   Сколько электронов может принять обкладка конденсатора при напряжении, в один вольт, называется емкостью конденсатора, но ее обычно измеряют не в триллионах электронов, а в условных единицах емкости — фарадах (микрофарадах, пикофарадах) .
   Когда говорят, что ток идет через конденсатор, это просто упрощение. Все происходит так, как будто бы через конденсатор шел ток, хотя на самом деле ток идет только снаружи конденсатора.
   Если углубляться в физику, то перераспределение энергии в поле между пластинами конденсатора называют током смещения в отличие от тока проводимости, представляющего собой перемещение зарядов, но ток смещения — это уже понятие из электродинамики, связанное с уравнениями Максвелла, совсем другой уровень абстракции.

Во всех радиотехнических и электронных устройствах кроме транзисторов и микросхем применяются конденсаторы. В одних схемах их больше, в других меньше, но совсем без конденсаторов не бывает практически ни одной электронной схемы.

При этом конденсаторы могут выполнять в устройствах самые разные задачи. Прежде всего, это емкости в фильтрах выпрямителей и стабилизаторов. С помощью конденсаторов передается сигнал между усилительными каскадами, строятся фильтры низких и высоких частот, задаются временные интервалы в выдержках времени и подбирается частота колебаний в различных генераторах.

Свою родословную конденсаторы ведут от , которую в середине XVIII века в своих опытах использовал голландский ученый Питер ван Мушенбрук. Жил он в городе Лейдене, так что нетрудно догадаться, почему так называлась эта банка.

Собственно это и была обыкновенная стеклянная банка, выложенная внутри и снаружи оловянной фольгой — станиолем. Использовалась она в тех же целях, как и современная алюминиевая, но тогда алюминий открыт еще не был.

Единственным источником электричества в те времена была электрофорная машина, способная развивать напряжение до нескольких сотен киловольт. Вот от нее и заряжали лейденскую банку. В учебниках физики описан случай, когда Мушенбрук разрядил свою банку через цепь из десяти гвардейцев взявшихся за руки.

В то время никто не знал, что последствия могут быть трагическими. Удар получился достаточно чувствительным, но не смертельным. До этого не дошло, ведь емкость лейденской банки была незначительной, импульс получился очень кратковременным, поэтому мощность разряда была невелика.

Как устроен конденсатор

Устройство конденсатора практически ничем не отличается от лейденской банки: все те же две обкладки, разделенные диэлектриком. Именно так на современных электрических схемах изображаются конденсаторы. На рисунке 1 показано схематичное устройство плоского конденсатора и формула для его расчета.

Рисунок 1. Устройство плоского конденсатора

Здесь S — площадь пластин в квадратных метрах, d — расстояние между пластинами в метрах, C — емкость в фарадах, ε — диэлектрическая проницаемость среды. Все величины, входящие в формулу, указаны в системе СИ. Эта формула справедлива для простейшего плоского конденсатора: можно просто расположить рядом две металлические пластины, от которых сделаны выводы. Диэлектриком может служить воздух.

Из этой формулы можно понять, что емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь пластин и чем меньше расстояние между ними. Для конденсаторов с другой геометрией формула может быть иной, например, для емкости одиночного проводника или . Но зависимость емкости от площади пластин и расстояния между ними та же, что и у плоского конденсатора: чем больше площадь и чем меньше расстояние, тем больше емкость.

На самом деле пластины не всегда делаются плоскими. У многих конденсаторов, например металлобумажных, обкладки представляют собой алюминиевую фольгу свернутую вместе с бумажным диэлектриком в плотный клубок, по форме металлического корпуса.

Для увеличения электрической прочности тонкая конденсаторная бумага пропитывается изолирующими составами, чаще всего трансформаторным маслом. Такая конструкция позволяет делать конденсаторы с емкостью до нескольких сотен микрофарад. Примерно так же устроены конденсаторы и с другими диэлектриками.

Формула не содержит никаких ограничений на площадь пластин S и расстояние между пластинами d. Если предположить, что пластины можно развести очень далеко, и при этом площадь пластин сделать совсем незначительной, то какая-то емкость, пусть небольшая, все равно останется. Подобное рассуждение говорит о том, что даже просто два проводника, расположенные по соседству, обладают электрической емкостью.

Этим обстоятельством широко пользуются в высокочастотной технике: в некоторых случаях конденсаторы делаются просто в виде дорожек печатного монтажа, а то и просто двух скрученных вместе проводков в полиэтиленовой изоляции. Обычный провод-лапша или кабель также обладают емкостью, причем с увеличением длины она увеличивается.

Кроме емкости C, любой кабель обладает еще и сопротивлением R. Оба этих физических свойства распределены по длине кабеля, и при передаче импульсных сигналов работают как интегрирующая RC — цепочка, показанная на рисунке 2.

Рисунок 2.

На рисунке все просто: вот схема, вот входной сигнал, а вот он же на выходе. Импульс искажается до неузнаваемости, но это сделано специально, для чего и собрана схема. Пока же речь идет о влиянии емкости кабеля на импульсный сигнал. Вместо импульса на другом конце кабеля появится вот такой «колокол», а если импульс короткий, то он может и вовсе не дойти до другого конца кабеля, вовсе пропасть.

Исторический факт

Здесь вполне уместно вспомнить историю о том, как прокладывали трансатлантический кабель. Первая попытка в 1857 году потерпела неудачу: телеграфные точки — тире (прямоугольные импульсы) искажались так, что на другом конце линии длиной 4000 км разобрать ничего не удалось.

Вторая попытка была предпринята в 1865 году. К этому времени английский физик У. Томпсон разработал теорию передачи данных по длинным линиям. В свете этой теории прокладка кабеля оказалась более удачной, сигналы принять удалось.

За этот научный подвиг королева Виктория пожаловала ученого рыцарством и титулом лорда Кельвина. Именно так назывался небольшой город на побережье Ирландии, где начиналась прокладка кабеля. Но это просто к слову, а теперь вернемся к последней букве в формуле, а именно, к диэлектрической проницаемости среды ε.

Немножко о диэлектриках

Эта ε стоит в знаменателе формулы, следовательно, ее увеличение повлечет за собой возрастание емкости. Для большинства используемых диэлектриков, таких как воздух, лавсан, полиэтилен, фторопласт эта константа практически такая же, как у вакуума. Но вместе с тем существует много веществ, диэлектрическая проницаемость которых намного выше. Если воздушный конденсатор залить ацетоном или спиртом, то его емкость возрастет раз в 15…20.

Но подобные вещества обладают кроме высокой ε еще и достаточно высокой проводимостью, поэтому такой конденсатор заряд держать будет плохо, он быстро разрядится сам через себя. Это вредное явление называется током утечки. Поэтому для диэлектриков разрабатываются специальные материалы, которые позволяют при высокой удельной емкости конденсаторов обеспечивать приемлемые токи утечки. Именно этим и объясняется такое разнообразие видов и типов конденсаторов, каждый из которых предназначен для конкретных условий.

Наибольшей удельной емкостью (соотношение емкость / объем) обладают . Емкость «электролитов» достигает до 100 000 мкФ, рабочее напряжение до 600В. Такие конденсаторы работают хорошо только на низких частотах, чаще всего в фильтрах источников питания. Электролитические конденсаторы включаются с соблюдением полярности.

Электродами в таких конденсаторах является тонкая пленка из оксида металлов, поэтому часто эти конденсаторы называют оксидными. Тонкий слой воздуха между такими электродами не очень надежный изолятор, поэтому между оксидными обкладками вводится слой электролита. Чаще всего это концентрированные растворы кислот или щелочей.

На рисунке 3 показан один из таких конденсаторов.

Рисунок 3. Электролитический конденсатор

Чтобы оценить размеры конденсатора рядом с ним сфотографировался простой спичечный коробок. Кроме достаточно большой емкости на рисунке можно разглядеть еще и допуск в процентах: ни много ни мало 70% от номинальной.

В те времена, когда компьютеры были большими и назывались ЭВМ, такие конденсаторы стояли в дисководах (по-современному HDD). Информационная емкость таких накопителей теперь может вызвать лишь улыбку: на двух дисках диаметром 350 мм хранилось 5 мегабайт информации, а само устройство весило 54 кг.

Основным назначением показанных на рисунке суперконденсаторов был вывод магнитных головок из рабочей зоны диска при внезапном отключении электроэнергии. Такие конденсаторы могли хранить заряд несколько лет, что было проверено на практике.

Чуть ниже с электролитическими конденсаторами будет предложено проделать несколько простых опытов, чтобы понять, что может делать конденсатор.

Для работы в цепях переменного тока выпускаются неполярные электролитические конденсаторы, вот только достать их почему-то очень непросто. Чтобы как-то эту проблему обойти, обычные полярные «электролиты» включают встречно-последовательно: плюс-минус-минус-плюс.

Если полярный электролитический конденсатор включить в цепь переменного тока, то сначала он будет греться, а потом раздастся взрыв. Отечественные старые конденсаторы разлетались во все стороны, импортные же имеют специальное приспособление, позволяющее избежать громких выстрелов. Это, как правило, либо крестовая насечка на донышке конденсатора, либо отверстие с резиновой пробкой, расположенное там же.

Очень не любят электролитические конденсаторы повышенного напряжения, даже если полярность соблюдена. Поэтому никогда не надо ставить «электролиты» в цепь, где предвидится напряжение близкое к максимальному для данного конденсатора.

Иногда в некоторых, даже солидных форумах, начинающие задают вопрос: «На схеме означен конденсатор 470µF * 16V, а у меня есть 470µF * 50V, можно ли его поставить?». Да, конечно можно, вот обратная замена недопустима.

Конденсатор может накапливать энергию

Разобраться с этим утверждением поможет простая схема, показанная на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема с конденсатором

Главным действующим лицом этой схемы является электролитический конденсатор C достаточно большой емкости, чтобы процессы заряда — разряда протекали медленно, и даже очень наглядно. Это дает возможность наблюдать работу схемы визуально с помощью обычной лампочки от карманного фонаря. Фонари эти давно уступили место современным светодиодным, но лампочки для них продаются до сих пор. Поэтому, собрать схему и провести простые опыты очень даже просто.

Может быть, кто-то скажет: «А зачем? Ведь и так все очевидно, да если еще и описание почитать…». Возразить тут, вроде, нечего, но любая, даже самая простая вещь остается в голове надолго, если ее понимание пришло через руки.

Итак, схема собрана. Как она работает?

В положении переключателя SA, показанном на схеме, конденсатор C заряжается от источника питания GB через резистор R по цепи: +GB __ R __ SA __ C __ -GB. Зарядный ток на схеме показан стрелкой с индексом iз. Процесс заряда конденсатора показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Процесс заряда конденсатора

На рисунке видно, что напряжение на конденсаторе возрастает по кривой линии, в математике называемой экспонентой. Ток заряда прямо-таки зеркально отражает напряжение заряда. По мере того, как напряжение на конденсаторе растет, ток заряда становится все меньше. И только в начальный момент соответствует формуле, показанной на рисунке.

Через некоторое время конденсатор зарядится от 0В до напряжения источника питания, в нашей схеме до 4,5В. Весь вопрос в том, как это время определить, сколько ждать, когда же конденсатор зарядится?

Постоянная времени «тау» τ = R*C

В этой формуле просто перемножаются сопротивление и емкость последовательно соединенных резистора и конденсатора. Если, не пренебрегая системой СИ, подставить сопротивление в Омах, емкость в Фарадах, то результат получится в секундах. Именно это время необходимо для того, чтобы конденсатор зарядился до 36,8% напряжения источника питания. Соответственно для заряда практически до 100% потребуется время 5* τ.

Часто, пренебрегая системой СИ, подставляют в формулу сопротивление в Омах, а емкость в микрофарадах, тогда время получится в микросекундах. В нашем случае результат удобнее получить в секундах, для чего придется микросекунды просто умножить на миллион, а проще говоря, переместить запятую на шесть знаков влево.

Для схемы, показанной на рисунке 4, при емкости конденсатора 2000мкФ и сопротивлении резистора 500Ω постоянная времени получится τ = R*C = 500 * 2000 = 1000000 микросекунд или ровно одна секунда. Таким образом, придется подождать приблизительно 5 секунд, пока конденсатор зарядится полностью.

Если по истечении указанного времени переключатель SA перевести в правое положение, то конденсатор C разрядится через лампочку EL. В этот момент получится короткая вспышка, конденсатор разрядится и лампочка погаснет. Направление разряда конденсатора показано стрелкой с индексом iр. Время разряда также определяется постоянной времени τ. График разряда показан на рисунке 6.

Рисунок 6. График разряда конденсатора

Конденсатор не пропускает постоянный ток

Убедиться в этом утверждении поможет еще более простая схема, показанная на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема с конденсатором в цепи постоянного тока

Если замкнуть переключатель SA, то последует кратковременная вспышка лампочки, что свидетельствует о том, что конденсатор C зарядился через лампочку. Здесь же показан и график заряда: в момент замыкания переключателя ток максимальный, по мере заряда конденсатора уменьшается, а через некоторое время прекращается совсем.

Если конденсатор хорошего качества, т.е. с малым током утечки (саморазряда) повторное замыкание выключателя к вспышке не приведет. Для получения еще одной вспышки конденсатор придется разрядить.

Конденсатор в фильтрах питания

Конденсатор ставится, как правило, после выпрямителя. Чаще всего выпрямители делаются двухполупериодными. Наиболее распространенные схемы выпрямителей показаны на рисунке 8.

Рисунок 8. Схемы выпрямителей

Однополупериодные выпрямители также применяются достаточно часто, как правило, в тех случаях, когда мощность нагрузки незначительна. Самым ценным качеством таких выпрямителей является простота: всего один диод и обмотка трансформатора.

Для двухполупериодного выпрямителя емкость конденсатора фильтра можно рассчитать по формуле

C = 1000000 * Po / 2*U*f*dU, где C емкость конденсатора мкФ, Po мощность нагрузки Вт, U напряжение на выходе выпрямителя В, f частота переменного напряжения Гц, dU амплитуда пульсаций В.

Большое число в числителе 1000000 переводит емкость конденсатора из системных Фарад в микрофарады. Двойка в знаменателе представляет собой число полупериодов выпрямителя: для однополупериодного на ее месте появится единица

C = 1000000 * Po / U*f*dU,

а для трехфазного выпрямителя формула примет вид C = 1000000 * Po / 3*U*f*dU.

Суперконденсатор — ионистор

В последнее время появился новый класс электролитических конденсаторов, так называемый . По своим свойствам он похож на аккумулятор, правда, с несколькими ограничениями.

Заряд ионистора до номинального напряжения происходит в течение короткого времени, буквально за несколько минут, поэтому его целесообразно использовать в качестве резервного источника питания. По сути ионистор прибор неполярный, единственное, чем определяется его полярность это зарядкой на заводе — изготовителе. Чтобы в дальнейшем эту полярность не перепутать она указывается знаком +.

Большую роль играют условия эксплуатации ионисторов. При температуре 70˚C при напряжении 0,8 от номинального гарантированная долговечность не более 500 часов. Если же прибор будет работать при напряжении 0,6 от номинального, а температура не превысит 40 градусов, то исправная работа возможна в течение 40 000 часов и более.

Наиболее распространенное применение ионистора это источники резервного питания. В основном это микросхемы памяти или электронные часы. В этом случае основным параметром ионистора является малый ток утечки, его саморазряд.

Достаточно перспективным является использование ионисторов совместно с солнечными батареями. Здесь также сказывается некритичность к условию заряда и практически неограниченное число циклов заряд-разряд. Еще одно ценное свойство в том, что ионистор не нуждается в обслуживании.

Пока получилось рассказать, как и где работают электролитические конденсаторы, причем, в основном в цепях постоянного тока. О работе конденсаторов в цепях переменного тока будет рассказано в другой статье — .

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.

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.

Помогите решить / разобраться (Ф)

В рамках школьной физики.

Это равенство выполняется в каждый отдельный момент времени. Но величины, которые в него входят — переменные. Поэтому, их надо записать как функции от времени:

Это одно уравнение, связывающее две величины. Поэтому, мы ищем второе уравнение. Это уравнение конденсатора. Для конденсатора нам известно соотношение, связывающее заряд и напряжение на конденсаторе: Его можно продифференцировать, и получить соотношение, связывающее малую добавку заряда и малую добавку напряжения, если эту малую добавку заряда внести на конденсатор: (при дифференцировании, ёмкость считаем постоянной). Теперь это соотношение можно поделить на малое время, за которое на конденсатор вносится малая добавка заряда:

А теперь заметим, что стоящая в левой части дробь — это, по сути, ток, втекающий в конденсатор. Итого:

и мы нашли искомое второе уравнение.

Это уравнение — дифференциальное уравнение. В школе не учат решать линейные дифуры, но учат решать дифуры с разделяющимися переменными. Избавимся от второй неизвестной:

и перенесём все в одну часть уравнения, а все — в другую часть (разрывая для этого дробь ):

Теперь припишем знак интеграла слева и справа:

Надо разобраться с пределами интегрирования. Интеграл по времени начинается в начальный момент времени и заканчивается в текущий момент времени (так обозначать не совсем хорошо, но сойдёт):
А интеграл по напряжению на конденсаторе начинается с начального значения напряжения — в начальный момент времени, — и заканчивается напряжением в текущий момент времени. То есть, пишем вот так:

В начальный момент времени конденсатор был разряжен, поэтому в нижнем пределе нуль. Это очень важный момент: у дифференциального уравнения будут разные решения при разных условиях.

Теперь надо взять интеграл. Слева преобразуем дифференциал: :

Подставляя пределы:

Справа всё намного проще:

Сводя всё обратно в уравнение, имеем:



И теперь можно взять экспоненту от правой и левой части уравнения:

Вот это и будет, в итоге, поведение напряжения на конденсаторе:
Нарисуйте график, и вы увидите, что вначале напряжение было а потом стремится к величине Но стремится асимптотически: конденсатор никогда не достигнет этого напряжения, а только будет к нему приближаться. Произведение называется постоянной времени, и за каждый промежуток времени, равный падение напряжения на сопротивлении будет уменьшаться в раз.

С одной стороны, физически довольно странно и неудобно, что напряжение никогда не станет таким, каким должно быть «в конце концов». С другой стороны, экспонента — функция, которая очень быстро приближается к своей асимптоте. Всего за время разница между экспонентой и «в конце концов» достигнет 0,005 %. Этого вы уже не различите обычными приборами. А что это за время? Если у нас обычные лабораторные компоненты, то сопротивление имеет порядок ом, а ёмкость — порядок микрофарад. Так что, весь процесс произойдёт за считанные микросекунды. Глазом вы его отследить не успеете.

И очень скоро разница, которую показывает математика, уйдёт за пределы точности измерения любых приборов, какие бы вы ни приготовили. Если вы будете стремиться добиться большей точности, то у вас постепенно потеряют смысл те формулы и приближения, с которых вы начинали, и на которые полагались. Например, нельзя будет считать ЭДС источника постоянной и стабильной величиной. Нельзя будет считать, что ток течёт непрерывно: он состоит из отдельных электронов. Нельзя будет пренебречь индуктивностью проводов. И так далее. Поэтому на практике нет смысла мучиться с таким расхождением математики и реальности. И обычно пользуются приближением, что через несколько постоянных времени процесс заканчивается в своём окончательном состоянии — можно даже взять погрешность в одну сотую или одну тысячную, обычно этого хватает.

Когда не течет ток по конденсатору. Электрический конденсатор. Виды конденсаторов. Как устроен электрический конденсатор

Это легко подтвердить опытами. Можно зажечь лампочку, присоединив ее к сети переменного тока через конденсатор. Громкоговоритель или телефонные трубки будут продолжать работать, если их присоединить к приемнику не непосредственно, а через конденсатор.

Конденсатор представляет собой две или несколько металлических пластин, разделенных диэлектриком. Этим диэлектриком чаще всего бывает слюда, воздух или керамика, являющиеся наилучшими изоляторами. Вполне естественно, что постоянный ток не может пройти через такой изолятор. Но почему же проходит через него переменный ток? Это кажется тем более странным, что такая же самая керамика в виде, например, фарфоровых роликов прекрасно изолирует провода переменного тока, а слюда прекрасно выполняет функции изолятора в ах, электроутюгах и других нагревательных приборах, исправно работающих от переменного тока.

Посредством некоторых опытов мы могли бы «доказать» еще более странный факт: если в конденсаторе заменить диэлектрик со сравнительно плохими изоляционными свойствами другим диэлектриком, который является лучшим изолятором, то свойства конденсатора изменятся так, что прохождение переменного тока через конденсатор будет не затруднено, а, наоборот, облегчено. Например, если включить лампочку в цепь переменного тока через конденсатор с бумажным диэлектриком и затем заменить бумагу таким прекрасным изолятором; как стекло или фарфор такой же толщины, то лампочка начнет гореть ярче. Подобный опыт позволит прийти к заключению, что переменный ток не только проходят через конденсатор, но что он к тому же проходит тем легче, чем лучшим изолятором является его диэлектрик.

Однако, несмотря на всю кажущуюся убедительность подобных опытов, электрический ток — ни постоянный, ни переменный — через конденсатор не проходит. Диэлектрик, разделяющий пластины конденсатора, служит надежной преградой на пути тока, каким бы он ни был — переменным или постоянным. Но это еще не означает, что тока не будет и во всей той цепи, в которую включен конденсатор.

Конденсатор обладает определенным физическим свойством, которое мы называем емкостью. Это свойство состоит в способности накапливать на обкладках электрические заряды. Источник электрического тока можно грубо уподобить насосу, перекачивающему в цепи электрические заряды. Если ток постоянный, то электрические заряды перекачиваются все время в одну сторону.

Как же будет вести себя в цепи постоянного тока конденсатор?

Наш «электрический насос» будет качать заряды на одну его обкладку и откачивать их с другой обкладки. Способность конденсатора удерживать на своих обкладках (пластинах) определенную разницу количества зарядов и называется его емкостью. Чем больше емкость конденсатора, тем больше электрических зарядов может быть на одной обкладке по сравнению с другой.

В момент включения тока конденсатор не заряжен — количество зарядов на его обкладках одинаково. Но вот ток включен. «Электрический насос» заработал. Он погнал заряды на одну обкладку и начал откачивать их с другой. Раз в цепи началось движение зарядов, значит в ней начал протекать ток. Ток будет течь до тех пор, пока конденсатор не зарядится полностью. По достижении этого предела ток прекратится.

Следовательно, если в цепи постоянного тока есть конденсатор, то после ее замыкания ток в ней будет течь столько времени сколько нужно для полного заряда конденсатора.

Если сопротивление цепи, через которую заряжается конденсатор, сравнительно невелико, то время заряда оказывается очень коротким: оно длится ничтожные доли секунды, после чего течение тока прекращается.

Иное дело в цепи переменного тока. В этой цепи «насос» перекачивает электрические заряды то в одну, то в другую сторону. Едва создав на одной обкладке конденсатора превышение количества зарядов по сравнению с количеством их на другой обкладке, насос начинает перекачивать их в обратно направлении. Заряды будут циркулировать в цепи непрерывно, значит в ней, несмотря на присутствие не проводящего ток конденсатора, будет существовать ток — ток заряда и разряда конденсатора.

От чего будет зависеть величина этого тока?

Под величиной тока мы понимаем количество электрических зарядов, протекающих в единицу времени через поперечное сечение проводника. Чем, больше емкость конденсатора, тем больше зарядов потребуется для его «заполнения», значит тем сильнее будет ток в цепи. Емкость конденсатора зависит от ве-, личины пластин, расстояния между ними и рода разделяющего их диэлектрика, его диэлектрической проницаемости. У фарфора диэлектрическая проницаемсклъ больше, чем у бумаги, поэтому при замене в конденсаторе бумаги фарфором ток в цепи увеличивается, хотя фарфор является лучшим изолятором, чем бумага.

Величина тока зависит также от его частоты. Чем выше частота, тем больше будет ток. Легко понять, почему это происходит, представив себе, что мы наполняем водой через трубку сосуд емкостью, например, 1 л и затем выкачиваем ее оттуда. Если этот процесс будет повторяться 1 раз в секунду, то по трубке в секунду будет проходить 2 л воды: 1 л в одну сторону и 1 л — в другую. процесса: будем наполнять и опорожнять сосуд 2 раза в секунду, то по трубке в секунду пройдет уже 4 л воды — увеличение частоты процесса при неизменной емкости сосуда привело к соответствующему увеличению количества воды, протекающей по трубке.

Из всего сказанного можно сделать следующие выводк: электрический ток — ни постоянный, ни переменный — через конденсатор не проходит. Но в цепи, соединяющей источник переменного тока с конденсатором, течет ток заряда и разряда этого конденсатора. Чем больше емкость конденсатора и выше частота тока, тем сильнее будет этот ток.

Эта особенность переменного тока чрезвычайно широко используется в радиотехнике. На ней основано и излучение радиоволн. Для этого мы возбуждаем в передающей антенне высокочастотный переменный ток. Но почему же ток течет в антенне, ведь она не представляет собой замкнутую цепь? Он течет потому, что между проводами антенны и противовеса или землей существует емкость. Ток в антенне представляет собой ток заряда и разряда этой емкости, этого конденсатора.

На вопрос Почему конденсатор не пропускает постоянный ток, но зато пропускает переменный? заданный автором Sodd15 sodd лучший ответ это Ток течёт только до тех пор, пока конденсатор заряжается.
В цепи постоянного тока конденсатор заряжается сравнительно быстро, после чего ток уменьшается и практически прекращается.
В цепи переменного тока конденсатор заряжается, затем напряжение меняет полярность, он начинает разряжаться, а потом заряжаться в обратную сторону, и т. д. — ток течёт постоянно.
Ну представьте себе банку, в которую можно налить воду только до тех пор, пока она не заполнится. Если напряжение постоянное, банка заполнится и после этого ток прекратится. А если напряжение переменное — вода в банку заливается — выливается — заливается и т. д.

Ответ от Просунуться [новичек]
спасибо ребята за классную информацию!!!

Ответ от Avotara [гуру]
Конденсатор не пропускает ток он может только заряжаться и разряжаться
На постоянном токе конденсатор заряжается 1 раз а дальше становится бесполезным в цепи.
На пульсирующем токе когда напряжение повышается он заряжается (накапливает в себе электрическую энергию) , а когда напряжение от максимального уровня начинает снижаться он возвращает энергию в сеть стабилизируя при этом напряжение.
На переменном токе когда напряжение возрастает от 0 к максимуму конденсатор заряжается, когда снижается от максимума до 0 разряжается возвращая энергию обратно в сеть, когда полярность меняется все происходит точно также но с другой полярностью.

Ответ от Вровень [гуру]
Конденсатор на самом деле не пропускает сквозь себя ток. Конденсатор сначала накапливает на своих обкладках заряды — на одной обкладке избыток электронов, на другой недостаток — а потом отдает их, в результате во внешней цепи электроны бегают туда-сюда — с одной обкладки убегают, на вторую прибегают, потом обратно. То есть движение электронов туда-сюда во внешней цепи обеспечивается, в ней идет ток — но не внутри конденсатора.
Сколько электронов может принять обкладка конденсатора при напряжении, в один вольт, называется емкостью конденсатора, но ее обычно измеряют не в триллионах электронов, а в условных единицах емкости — фарадах (микрофарадах, пикофарадах).
Когда говорят, что ток идет через конденсатор, это просто упрощение. Все происходит так, как будто бы через конденсатор шел ток, хотя на самом деле ток идет только снаружи конденсатора.
Если углубляться в физику, то перераспределение энергии в поле между пластинами конденсатора называют током смещения в отличие от тока проводимости, представляющего собой перемещение зарядов, но ток смещения — это уже понятие из электродинамики, связанное с уравнениями Максвелла, совсем другой уровень абстракции.

Ответ от сосочек [гуру]
в чисто физическом плане: конденсатор — есть развыв цепи, т. к. его прокладки не соприкасаются друг с другом, между ними диэлектрик. а как мы знаем диэлектрики не проводят электричесний ток. поэтому постоянный ток через него и не идёт.
хотя…
Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора) , по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течет, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора.
а для переменного тока конденсатор является частью колебательного контура. он играет роль накопителя электрической энергии и в сочетаниии с катушкой, они прекрасно сосуществуют, переобразовывая электрическую энегрию в магнитную и обратно со скоростью/частотой равной их собственной omega = 1/sqrt(C*L)
пример: такое явление как молния. думаю слышал. хотя плохой пример, там зарядка происходит через электризацию, изза трения атмосферного воздуха о поверхность земли. но пробой всегда как и в конденсаторе происходит только при достижении так называемого пробивного напряжения.
не знаю, помогло ли тебе это 🙂

Ответ от [email protected] [новичек]
конденсатор работает как в переменном токе так и в постоянном, т. к. он заряжается на постоянном токе и не может никуда деть ту энергию, для этого в цепь соединяют через ключ обратную ветвь, для смены полярности, чтобы его разрядить и освободить место для новой порции, неа переменном на оборот, кандёр заряжается и разряжается за счет перемены полярностей….

Во всех радиотехнических и электронных устройствах кроме транзисторов и микросхем применяются конденсаторы. В одних схемах их больше, в других меньше, но совсем без конденсаторов не бывает практически ни одной электронной схемы.

При этом конденсаторы могут выполнять в устройствах самые разные задачи. Прежде всего, это емкости в фильтрах выпрямителей и стабилизаторов. С помощью конденсаторов передается сигнал между усилительными каскадами, строятся фильтры низких и высоких частот, задаются временные интервалы в выдержках времени и подбирается частота колебаний в различных генераторах.

Свою родословную конденсаторы ведут от , которую в середине XVIII века в своих опытах использовал голландский ученый Питер ван Мушенбрук. Жил он в городе Лейдене, так что нетрудно догадаться, почему так называлась эта банка.

Собственно это и была обыкновенная стеклянная банка, выложенная внутри и снаружи оловянной фольгой — станиолем. Использовалась она в тех же целях, как и современная алюминиевая, но тогда алюминий открыт еще не был.

Единственным источником электричества в те времена была электрофорная машина, способная развивать напряжение до нескольких сотен киловольт. Вот от нее и заряжали лейденскую банку. В учебниках физики описан случай, когда Мушенбрук разрядил свою банку через цепь из десяти гвардейцев взявшихся за руки.

В то время никто не знал, что последствия могут быть трагическими. Удар получился достаточно чувствительным, но не смертельным. До этого не дошло, ведь емкость лейденской банки была незначительной, импульс получился очень кратковременным, поэтому мощность разряда была невелика.

Как устроен конденсатор

Устройство конденсатора практически ничем не отличается от лейденской банки: все те же две обкладки, разделенные диэлектриком. Именно так на современных электрических схемах изображаются конденсаторы. На рисунке 1 показано схематичное устройство плоского конденсатора и формула для его расчета.

Рисунок 1. Устройство плоского конденсатора

Здесь S — площадь пластин в квадратных метрах, d — расстояние между пластинами в метрах, C — емкость в фарадах, ε — диэлектрическая проницаемость среды. Все величины, входящие в формулу, указаны в системе СИ. Эта формула справедлива для простейшего плоского конденсатора: можно просто расположить рядом две металлические пластины, от которых сделаны выводы. Диэлектриком может служить воздух.

Из этой формулы можно понять, что емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь пластин и чем меньше расстояние между ними. Для конденсаторов с другой геометрией формула может быть иной, например, для емкости одиночного проводника или . Но зависимость емкости от площади пластин и расстояния между ними та же, что и у плоского конденсатора: чем больше площадь и чем меньше расстояние, тем больше емкость.

На самом деле пластины не всегда делаются плоскими. У многих конденсаторов, например металлобумажных, обкладки представляют собой алюминиевую фольгу свернутую вместе с бумажным диэлектриком в плотный клубок, по форме металлического корпуса.

Для увеличения электрической прочности тонкая конденсаторная бумага пропитывается изолирующими составами, чаще всего трансформаторным маслом. Такая конструкция позволяет делать конденсаторы с емкостью до нескольких сотен микрофарад. Примерно так же устроены конденсаторы и с другими диэлектриками.

Формула не содержит никаких ограничений на площадь пластин S и расстояние между пластинами d. Если предположить, что пластины можно развести очень далеко, и при этом площадь пластин сделать совсем незначительной, то какая-то емкость, пусть небольшая, все равно останется. Подобное рассуждение говорит о том, что даже просто два проводника, расположенные по соседству, обладают электрической емкостью.

Этим обстоятельством широко пользуются в высокочастотной технике: в некоторых случаях конденсаторы делаются просто в виде дорожек печатного монтажа, а то и просто двух скрученных вместе проводков в полиэтиленовой изоляции. Обычный провод-лапша или кабель также обладают емкостью, причем с увеличением длины она увеличивается.

Кроме емкости C, любой кабель обладает еще и сопротивлением R. Оба этих физических свойства распределены по длине кабеля, и при передаче импульсных сигналов работают как интегрирующая RC — цепочка, показанная на рисунке 2.

Рисунок 2.

На рисунке все просто: вот схема, вот входной сигнал, а вот он же на выходе. Импульс искажается до неузнаваемости, но это сделано специально, для чего и собрана схема. Пока же речь идет о влиянии емкости кабеля на импульсный сигнал. Вместо импульса на другом конце кабеля появится вот такой «колокол», а если импульс короткий, то он может и вовсе не дойти до другого конца кабеля, вовсе пропасть.

Исторический факт

Здесь вполне уместно вспомнить историю о том, как прокладывали трансатлантический кабель. Первая попытка в 1857 году потерпела неудачу: телеграфные точки — тире (прямоугольные импульсы) искажались так, что на другом конце линии длиной 4000 км разобрать ничего не удалось.

Вторая попытка была предпринята в 1865 году. К этому времени английский физик У. Томпсон разработал теорию передачи данных по длинным линиям. В свете этой теории прокладка кабеля оказалась более удачной, сигналы принять удалось.

За этот научный подвиг королева Виктория пожаловала ученого рыцарством и титулом лорда Кельвина. Именно так назывался небольшой город на побережье Ирландии, где начиналась прокладка кабеля. Но это просто к слову, а теперь вернемся к последней букве в формуле, а именно, к диэлектрической проницаемости среды ε.

Немножко о диэлектриках

Эта ε стоит в знаменателе формулы, следовательно, ее увеличение повлечет за собой возрастание емкости. Для большинства используемых диэлектриков, таких как воздух, лавсан, полиэтилен, фторопласт эта константа практически такая же, как у вакуума. Но вместе с тем существует много веществ, диэлектрическая проницаемость которых намного выше. Если воздушный конденсатор залить ацетоном или спиртом, то его емкость возрастет раз в 15…20.

Но подобные вещества обладают кроме высокой ε еще и достаточно высокой проводимостью, поэтому такой конденсатор заряд держать будет плохо, он быстро разрядится сам через себя. Это вредное явление называется током утечки. Поэтому для диэлектриков разрабатываются специальные материалы, которые позволяют при высокой удельной емкости конденсаторов обеспечивать приемлемые токи утечки. Именно этим и объясняется такое разнообразие видов и типов конденсаторов, каждый из которых предназначен для конкретных условий.

Наибольшей удельной емкостью (соотношение емкость / объем) обладают . Емкость «электролитов» достигает до 100 000 мкФ, рабочее напряжение до 600В. Такие конденсаторы работают хорошо только на низких частотах, чаще всего в фильтрах источников питания. Электролитические конденсаторы включаются с соблюдением полярности.

Электродами в таких конденсаторах является тонкая пленка из оксида металлов, поэтому часто эти конденсаторы называют оксидными. Тонкий слой воздуха между такими электродами не очень надежный изолятор, поэтому между оксидными обкладками вводится слой электролита. Чаще всего это концентрированные растворы кислот или щелочей.

На рисунке 3 показан один из таких конденсаторов.

Рисунок 3. Электролитический конденсатор

Чтобы оценить размеры конденсатора рядом с ним сфотографировался простой спичечный коробок. Кроме достаточно большой емкости на рисунке можно разглядеть еще и допуск в процентах: ни много ни мало 70% от номинальной.

В те времена, когда компьютеры были большими и назывались ЭВМ, такие конденсаторы стояли в дисководах (по-современному HDD). Информационная емкость таких накопителей теперь может вызвать лишь улыбку: на двух дисках диаметром 350 мм хранилось 5 мегабайт информации, а само устройство весило 54 кг.

Основным назначением показанных на рисунке суперконденсаторов был вывод магнитных головок из рабочей зоны диска при внезапном отключении электроэнергии. Такие конденсаторы могли хранить заряд несколько лет, что было проверено на практике.

Чуть ниже с электролитическими конденсаторами будет предложено проделать несколько простых опытов, чтобы понять, что может делать конденсатор.

Для работы в цепях переменного тока выпускаются неполярные электролитические конденсаторы, вот только достать их почему-то очень непросто. Чтобы как-то эту проблему обойти, обычные полярные «электролиты» включают встречно-последовательно: плюс-минус-минус-плюс.

Если полярный электролитический конденсатор включить в цепь переменного тока, то сначала он будет греться, а потом раздастся взрыв. Отечественные старые конденсаторы разлетались во все стороны, импортные же имеют специальное приспособление, позволяющее избежать громких выстрелов. Это, как правило, либо крестовая насечка на донышке конденсатора, либо отверстие с резиновой пробкой, расположенное там же.

Очень не любят электролитические конденсаторы повышенного напряжения, даже если полярность соблюдена. Поэтому никогда не надо ставить «электролиты» в цепь, где предвидится напряжение близкое к максимальному для данного конденсатора.

Иногда в некоторых, даже солидных форумах, начинающие задают вопрос: «На схеме означен конденсатор 470µF * 16V, а у меня есть 470µF * 50V, можно ли его поставить?». Да, конечно можно, вот обратная замена недопустима.

Конденсатор может накапливать энергию

Разобраться с этим утверждением поможет простая схема, показанная на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема с конденсатором

Главным действующим лицом этой схемы является электролитический конденсатор C достаточно большой емкости, чтобы процессы заряда — разряда протекали медленно, и даже очень наглядно. Это дает возможность наблюдать работу схемы визуально с помощью обычной лампочки от карманного фонаря. Фонари эти давно уступили место современным светодиодным, но лампочки для них продаются до сих пор. Поэтому, собрать схему и провести простые опыты очень даже просто.

Может быть, кто-то скажет: «А зачем? Ведь и так все очевидно, да если еще и описание почитать…». Возразить тут, вроде, нечего, но любая, даже самая простая вещь остается в голове надолго, если ее понимание пришло через руки.

Итак, схема собрана. Как она работает?

В положении переключателя SA, показанном на схеме, конденсатор C заряжается от источника питания GB через резистор R по цепи: +GB __ R __ SA __ C __ -GB. Зарядный ток на схеме показан стрелкой с индексом iз. Процесс заряда конденсатора показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Процесс заряда конденсатора

На рисунке видно, что напряжение на конденсаторе возрастает по кривой линии, в математике называемой экспонентой. Ток заряда прямо-таки зеркально отражает напряжение заряда. По мере того, как напряжение на конденсаторе растет, ток заряда становится все меньше. И только в начальный момент соответствует формуле, показанной на рисунке.

Через некоторое время конденсатор зарядится от 0В до напряжения источника питания, в нашей схеме до 4,5В. Весь вопрос в том, как это время определить, сколько ждать, когда же конденсатор зарядится?

Постоянная времени «тау» τ = R*C

В этой формуле просто перемножаются сопротивление и емкость последовательно соединенных резистора и конденсатора. Если, не пренебрегая системой СИ, подставить сопротивление в Омах, емкость в Фарадах, то результат получится в секундах. Именно это время необходимо для того, чтобы конденсатор зарядился до 36,8% напряжения источника питания. Соответственно для заряда практически до 100% потребуется время 5* τ.

Часто, пренебрегая системой СИ, подставляют в формулу сопротивление в Омах, а емкость в микрофарадах, тогда время получится в микросекундах. В нашем случае результат удобнее получить в секундах, для чего придется микросекунды просто умножить на миллион, а проще говоря, переместить запятую на шесть знаков влево.

Для схемы, показанной на рисунке 4, при емкости конденсатора 2000мкФ и сопротивлении резистора 500Ω постоянная времени получится τ = R*C = 500 * 2000 = 1000000 микросекунд или ровно одна секунда. Таким образом, придется подождать приблизительно 5 секунд, пока конденсатор зарядится полностью.

Если по истечении указанного времени переключатель SA перевести в правое положение, то конденсатор C разрядится через лампочку EL. В этот момент получится короткая вспышка, конденсатор разрядится и лампочка погаснет. Направление разряда конденсатора показано стрелкой с индексом iр. Время разряда также определяется постоянной времени τ. График разряда показан на рисунке 6.

Рисунок 6. График разряда конденсатора

Конденсатор не пропускает постоянный ток

Убедиться в этом утверждении поможет еще более простая схема, показанная на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема с конденсатором в цепи постоянного тока

Если замкнуть переключатель SA, то последует кратковременная вспышка лампочки, что свидетельствует о том, что конденсатор C зарядился через лампочку. Здесь же показан и график заряда: в момент замыкания переключателя ток максимальный, по мере заряда конденсатора уменьшается, а через некоторое время прекращается совсем.

Если конденсатор хорошего качества, т.е. с малым током утечки (саморазряда) повторное замыкание выключателя к вспышке не приведет. Для получения еще одной вспышки конденсатор придется разрядить.

Конденсатор в фильтрах питания

Конденсатор ставится, как правило, после выпрямителя. Чаще всего выпрямители делаются двухполупериодными. Наиболее распространенные схемы выпрямителей показаны на рисунке 8.

Рисунок 8. Схемы выпрямителей

Однополупериодные выпрямители также применяются достаточно часто, как правило, в тех случаях, когда мощность нагрузки незначительна. Самым ценным качеством таких выпрямителей является простота: всего один диод и обмотка трансформатора.

Для двухполупериодного выпрямителя емкость конденсатора фильтра можно рассчитать по формуле

C = 1000000 * Po / 2*U*f*dU, где C емкость конденсатора мкФ, Po мощность нагрузки Вт, U напряжение на выходе выпрямителя В, f частота переменного напряжения Гц, dU амплитуда пульсаций В.

Большое число в числителе 1000000 переводит емкость конденсатора из системных Фарад в микрофарады. Двойка в знаменателе представляет собой число полупериодов выпрямителя: для однополупериодного на ее месте появится единица

C = 1000000 * Po / U*f*dU,

а для трехфазного выпрямителя формула примет вид C = 1000000 * Po / 3*U*f*dU.

Суперконденсатор — ионистор

В последнее время появился новый класс электролитических конденсаторов, так называемый . По своим свойствам он похож на аккумулятор, правда, с несколькими ограничениями.

Заряд ионистора до номинального напряжения происходит в течение короткого времени, буквально за несколько минут, поэтому его целесообразно использовать в качестве резервного источника питания. По сути ионистор прибор неполярный, единственное, чем определяется его полярность это зарядкой на заводе — изготовителе. Чтобы в дальнейшем эту полярность не перепутать она указывается знаком +.

Большую роль играют условия эксплуатации ионисторов. При температуре 70˚C при напряжении 0,8 от номинального гарантированная долговечность не более 500 часов. Если же прибор будет работать при напряжении 0,6 от номинального, а температура не превысит 40 градусов, то исправная работа возможна в течение 40 000 часов и более.

Наиболее распространенное применение ионистора это источники резервного питания. В основном это микросхемы памяти или электронные часы. В этом случае основным параметром ионистора является малый ток утечки, его саморазряд.

Достаточно перспективным является использование ионисторов совместно с солнечными батареями. Здесь также сказывается некритичность к условию заряда и практически неограниченное число циклов заряд-разряд. Еще одно ценное свойство в том, что ионистор не нуждается в обслуживании.

Пока получилось рассказать, как и где работают электролитические конденсаторы, причем, в основном в цепях постоянного тока. О работе конденсаторов в цепях переменного тока будет рассказано в другой статье — .

Конденсатор в цепи переменного тока или постоянного, который нередко называется попросту кондёром, состоит из пары обкладок, покрытых слоем изоляции. Если на это устройство будет подаваться ток, оно будет получать заряд и сохранять его в себе некоторое время. Емкость его во многом зависит от промежутка между обкладками.

Конденсатор может быть выполнен по-разному, но суть работы и основные его элементы остаются неизменными в любом случае. Чтобы понять принцип работы, необходимо рассмотреть самую простую его модель.

У простейшего устройства имеются две обкладки: одна из них заряжена положительно, другая — наоборот, отрицательно. Заряды эти хоть и противоположны, но равны. Они притягиваются с определенной силой, которая зависит от расстояния. Чем ближе друг к другу располагаются обкладки, тем больше между ними сила притяжения. Благодаря этому притяжению заряженное устройство не разряжается.

Однако достаточно проложить какой-либо проводник между двумя обкладками и устройство мгновенно разрядится. Все электроны от отрицательно заряженной обкладки сразу же перейдут на положительно заряженную, в результате чего заряд уравняется. Иными словами, чтобы снять заряд с конденсатора, необходимо лишь замкнуть две его обкладки.

Электрические цепи бывают двух видов — постоянными или переменными . Все зависит от того, как в них протекает электроток. Устройства в этих цепях ведут себя по-разному.

Чтобы рассмотреть, как будет вести себя конденсатор в цепи постоянного тока, нужно:

1. Взять блок питания постоянного напряжения и определить значение напряжения. Например, «12 Вольт».
2. Установить лампочку, рассчитанную на такое же напряжение.
3. В сеть установить конденсатор.

Никакого эффекта не будет: лампочка так и не засветится, а если убрать из цепи конденсатор, то свет появится. Если устройство будет включено в сеть переменного тока, то она попросту не будет замыкаться, поэтому и никакой электроток здесь пройти не сможет. Постоянный — не способен проходить по сети, в которую включен конденсатор. Всему виной обкладки этого устройства, а точнее, диэлектрик, который разделяет эти обкладки.

Убедиться в отсутствии напряжения в сети постоянного электротока можно и другими способами. Подключать к сети можно, что угодно, главное, чтобы в цепь был включен источник постоянного электротока. Элементом же, который будет сигнализировать об отсутствии напряжения в сети или, наоборот, о его присутствии, также может быть любой электроприбор. Лучше всего для этих целей использовать лампочку: она будет светиться, если электроток есть, и не будет гореть при отсутствии напряжения в сети.

Можно сделать вывод, что конденсатор не способен проводить через себя постоянный ток, однако это заключение неправильное. На самом деле электроток сразу после подачи напряжения появляется, но мгновенно и исчезает. В этом случае он проходит в течение лишь нескольких долей секунды. Точная продолжительность зависит от того, насколько емким является устройство, но это, как правило, в расчет не берется.

Чтобы определить, будет ли проходить переменный электроток, необходимо устройство подключить в соответствующую цепь. Основным источником электроэнергии в таком случае должно являться устройство, генерирующее именно переменный электроток.

Постоянный электрический ток не идет через конденсатор, а вот переменный, наоборот, протекает, причем устройство постоянно оказывает сопротивление проходящему через него электротоку. Величина этого сопротивления связана с частотой. Зависимость здесь обратно пропорциональная: чем ниже частота, тем выше сопротивление. Если к источнику переменного электротока подключить кондер, то наибольшее значение напряжения здесь будет зависеть от силы тока.

Убедиться в том, что конденсатор может проводить переменный электроток, наглядно поможет простейшая цепь, составленная из:

• Источника тока. Он должен быть переменным.
• Потребителя электротока. Лучше всего использовать лампу.

Однако стоит помнить об одном: лампа загорится лишь в том случае, если устройство имеет довольно большую емкость. Переменный ток оказывает на конденсатор такое влияние, что устройство начинает заряжаться и разряжаться. А ток, который проходит по сети во время перезарядки, повышает температуру нити накаливания лампы. В результате она и светится.

От емкости устройства, подключенного к сети переменного тока, во многом зависит электроток перезарядки. Зависимость прямо пропорциональная: чем большей емкостью обладает, тем больше величина, характеризующая силу тока перезарядки. Чтобы в этом убедиться, достаточно лишь повысить емкость. Сразу после этого лампа начнет светиться ярче, так как нити ее будут больше накалены. Как видно, конденсатор, который выступает в качестве одного из элементов цепи переменного тока, ведет себя иначе, нежели постоянный резистор.

При подключении конденсатора переменного тока начинают происходить более сложные процессы. Лучше их понять поможет такой инструмент, как вектор. Главная идея вектора в этом случае будет заключаться в том, что можно представить значение изменяющегося во времени сигнала как произведение комплексного сигнала, который является функцией оси, отображающей время и комплексного числа, которое, наоборот, не связано со временем.

Поскольку векторы представляются некоторой величиной и некоторым углом, начертить их можно в виде стрелки, которая вращается в координатной плоскости. Напряжение на устройстве немного отстает от тока, а оба вектора, которыми они обозначаются, вращаются на плоскости против часовых стрелок.

Конденсатор в сети переменного тока может периодически перезаряжаться: он то приобретает какой-то заряд, то, наоборот, отдает его. Это означает, что кондер и источник переменного электротока в сети постоянно обмениваются друг с другом электрической энергией. Такой вид электроэнергии в электротехнике носит название реактивной.

Конденсатор не позволяет проходить по сети постоянному электротоку. В таком случае он будет иметь сопротивление, приравнивающееся к бесконечности. Переменный же электроток способен проходить через это устройство. В этом случае сопротивление имеет конечное значение.

Постоянного напряжения и выставляем на его крокодилах напряжение в 12 Вольт. Лампочку тоже берем на 12 Вольт. Теперь между одним щупом блока питания и лампочки вставляем конденсатор:

Не-а, не горит.

А вот если напрямую сделать, то горит:

Отсюда напрашивается вывод: постоянный ток через конденсатор не течет!

Если честно, то в самый начальный момент подачи напряжения ток все-таки течет на доли секунды. Все зависит от емкости конденсатора.

Конденсатор в цепи переменного тока

Итак, чтобы узнать, течет ли переменный ток через конденсатор, нам нужен генератор переменного тока. Думаю, этот генератор частоты вполне сойдет:

Так как китайский генератор у меня очень слабенький, то мы вместо нагрузки-лампочки будем использовать простой на 100 Ом. Также возьмем и конденсатор емкостью в 1 микрофарад:

Спаиваем как-то вот так и подаем сигнал с генератора частоты:

Далее за дело берется . Что такое осциллограф и с чем его едят, читаем здесь . Будем использовать сразу два канала. На одном экране будут высвечиваться сразу два сигнала. Здесь на экранчике уже видны наводки от сети 220 Вольт. Не обращайте внимание.

Будем подавать переменное напряжение и смотреть сигналы, как говорят профессиональные электронщики, на входе и на выходе. Одновременно.

Все это будет выглядеть примерно вот так:

Итак, если у нас частота нулевая, то это значит постоянный ток. Постоянный ток, как мы уже видели, конденсатор не пропускает. С этим вроде бы разобрались. Но что будет, если подать синусоиду с частотой в 100 Герц?

На дисплее осциллографа я вывел такие параметры, как частота сигнала и его амплитуда: F – это частота, Ma – амплитуда (эти параметры пометил белой стрелочкой). Первый канал помечен красным цветом, а второй канал – желтым, для удобства восприятия.

Красная синусоида показывает сигнал, который выдает нам китайский генератор частоты. Желтая синусоида – это то, что мы уже получаем на нагрузке. В нашем случае нагрузкой является резистор. Ну вот, собственно, и все.

Как вы видите на осциллограмме выше, с генератора я подаю синусоидальный сигнал с частотой в 100 Герц и амплитудой в 2 Вольта. На резисторе мы уже видим сигнал с такой же частотой (желтый сигнал), но его амплитуда составляет каких-то 136 милливольт. Да еще и сигнал получился какой-то “лохматый”. Это связано с так называемыми “ “. Шум – это сигнал с маленькой амплитудой и беспорядочным изменением напряжения. Он может быть вызван самими радиоэлементами, а также это могут быть помехи, которые ловятся из окружающего пространства. Например очень хорошо “шумит” резистор. Значит “лохматость” сигнала – это сумма синусоиды и шума.

Амплитуда желтого сигнала стала меньше, да еще и график желтого сигнала сдвигается влево, то есть опережает красный сигнал, или научным языком, появляется сдвиг фаз . Опережает именно фаза, а не сам сигнал. Если бы опережал сам сигнал, то у нас бы тогда получилось, что сигнал на резисторе появлялся бы по времени раньше, чем сигнал, поданный на него через конденсатор. Получилось бы какое-те перемещение во времени:-), что конечно же, невозможно.

Сдвиг фаз – это разность между начальными фазами двух измеряемых величин . В данном случае напряжения. Для того, чтобы произвести замер сдвига фаз, должно быть условие, что у этих сигналов одна и та же частота . Амплитуда может быть любой. Ниже на рисунке приведен этот самый сдвиг фаз или, как еще его называют, разность фаз :

Давайте увеличим частоту на генераторе до 500 Герц

На резисторе уже получили 560 милливольта. Сдвиг фаз уменьшается.

Увеличиваем частоту до 1 КилоГерца

На выходе у нас уже 1 Вольт.

Ставим частоту 5 Килогерц

Амплитуда 1,84 Вольта и сдвиг фаз явно стает меньше

Увеличиваем до 10 Килогерц

Амплитуда уже почти такая же как и на входе. Сдвиг фаз менее заметен.

Ставим 100 Килогерц:

Сдвига фаз почти нет. Амплитуда почти такая же, как и на входе, то есть 2 Вольта.

Отсюда делаем глубокомысленные выводы:

Чем больше частота, тем меньшее сопротивление конденсатор оказывает переменному току. Сдвиг фаз убывает с увеличением частоты почти до нуля. На бесконечно низких частотах его величина составляет 90 градусов или π/2 .

Если построить обрезок графика, то получится типа что-то этого:

По вертикали я отложил напряжение, по горизонтали – частоту.

Итак, мы с вами узнали, что сопротивление конденсатора зависит от частоты. Но только ли от частоты? Давайте возьмем конденсатор емкостью в 0,1 микрофарад, то есть номиналом в 10 раз меньше, чем предыдущий и снова прогоним по этим же частотам.

Смотрим и анализируем значения:

Внимательно сравните амплитудные значения желтого сигнала на одной и той же частоте, но с разными номиналами конденсатора. Например, на частоте в 100 Герц и номиналом конденсатора в 1 мкФ амплитуда желтого сигнала равнялась 136 милливольт, а на этой же самой частоте амплитуда желтого сигнала, но с конденсатором в 0,1 мкФ уже была 101 милливольт(в реальности еще меньше из за помех). На частоте 500 Герц – 560 милливольт и 106 милливольт соответственно, на частоте в 1 Килогерц – 1 Вольт и 136 милливольт и так далее.

Отсюда вывод напрашивается сам собой: при уменьшении номинала конденсатора его сопротивление стает больше.

С помощью физико-математических преобразований физики и математики вывели формулу для расчета сопротивления конденсатора. Прошу любить и жаловать:

где, Х С – это сопротивление конденсатора, Ом

П – постоянная и равняется приблизительно 3,14

F – частота, измеряется в Герцах

С – емкость, измеряется в Фарадах

Так вот, поставьте в эту формулу частоту в ноль Герц. Частота в ноль Герц – это и есть постоянный ток. Что получится? 1/0=бесконечность или очень большое сопротивление. Короче говоря, обрыв цепи.

Заключение

Забегая вперед, могу сказать, что в данном опыте мы получили (ФВЧ). С помощью простого конденсатора и резистора, применив где-нибудь в звуковой аппаратуре такой фильтр на динамик, в динамике мы будет слышать только писклявые высокие тона. А вот частоту баса как раз и заглушит такой фильтр. Зависимость сопротивления конденсатора от частоты очень широко используется в радиоэлектронике, особенно в различных фильтрах, где надо погасить одну частоту и пропустить другую.

Конденсатор / Хабр

Конденсатор имеет следующее схематическое изображение

Рассмотрим водопроводную модель конденсатора. Ранее мы говорили о том, что ток может течь только в трубе, соединенной в кольцо в замкнутой цепи. Но можно представить пустую емкость, в которую можно заливать воду, пока емкость не заполнится. Это и есть конденсатор — емкость, в которую можно заливать заряд.

Для большей аналогии лучше представить себе водонапорную башню, в модели — трубу бесконечной длины поставленную вертикально. Вода насосом закачивается в эту трубу с нижнего торца и поднимается на высоту. Чем больше воды закачали и чем выше она поднялась — тем сильнее столб воды давит на днище и выше там давление. Так-то в эту бесконечную трубу можно сколько угодно воды (электрического заряда) закачать, но при этом противодавление столба воды будет расти. Если качать заряд генератором напряжения, то когда противодавление сравняется с давлением (напряжением), создаваемым генератором — закачка остановится.

Если характеристикой резистора является сопротивление, то электрической характеристикой конденсатора является емкость.

С=Q/U

Емкость говорит, сколько заряда можно в конденсатор закачать, чтобы напряжение там поднялось до величины U. Можно сказать, что емкость характеризует диаметр трубы. Чем ýже труба, тем быстрее поднимается уровень воды при закачке и растет давление на дне трубы. Давление же зависит только от высоты водяного столба, а не от массы закачанной воды.

В электрических терминах, чем меньше емкость конденсатора, тем быстрее растет напряжение при закачке туда заряда.

Напомню, что электрический ток I равен количеству протекающего заряда Q в секунду. То есть I=Q/T, где T — время. Это все равно, что поток воды исчисляемый кубометрами в секунду. Или килограммами в сек, потом проверим по размерности).

Поэтому конденсатор с маленькой емкостью заполняется зарядом быстро, а с большой емкостью — медленно.

Рассмотрим теперь электрические цепи с конденсатором.

Пусть конденсатор подключен к генератору напряжения.

рис 9. Подключение конденсатора к генератору напряжения.

«Главный инженер повернул рубильник» S1 и.. тыдыщ!!! Что произошло?

Идеальный генератор напряжения имеет бесконечную мощность и может выдавать бесконечный ток. Когда замкнули рубильник в нашу емкость хлынуло бесконечное количество заряда в секунду и она мгновенно заполнилась и напряжение на ней выросло до U.

Теперь рассмотрим более реальную цепь.

Это Вторая Главная Цепь в жизни инженера-электронщика (после делителя напряжения) —
RC–цепочка.

RC–цепочка

RC -цепочки бывают интегрирующего и дифференцирующего типа.

RC–цепочка интегрирующего типа

рис 10. Подключение RC -цепочки интегрирующего типа к генератору напряжения.

Что произойдет в этой схеме, если замкнуть выключатель S1?

Конденсатор С исходно разряжен и напряжение на нем рано 0. Поэтому ток в первый момент будет равен I=U/R. Затем конденсатор начнет заряжаться, напряжение на нем увеличивается, и ток через резистор начнет уменьшаться. I=(U-Uc)/R. Этот процесс будет продолжаться, конденсатор будет заряжаться уменьшающимся током до напряжения источника U. Напряжение на конденсаторе при этом будет расти по экспоненте.

рис 11. График роста напряжения на конденсаторе при подаче напряжения величиной U (ступеньки).

Вопрос: А если запитать такую цепочку от генератора тока, как будет расти напряжение на конденсаторе?

Почему цепочка называется — «интегрирующего типа»?

Как выше было отмечено, ток в первый момент после подачи напряжение будет равен I=U/R, так как конденсатор разряжен, и напряжение на нем равно 0. И какое-то время, пока напряжение на конденсаторе Uc мало по сравнению с U, ток будет оставаться почти постоянным. А при заряде конденсатора постоянным током напряжение на нем растет линейно.

Uc=Q/C, а мы помним, что ток это количество заряда в секунду, то есть скорость протекания заряда. Другими словами, заряд это интеграл от тока.

Q = ∫ I * dt =∫ U/R * dt

то есть

Uc=1/RC * ∫ U * dt

Но все это близко к истине в начальный момент, пока напряжение на конденсаторе малó.

На самом деле все сводится к тому, что конденсатор заряжается постоянным током.
А постоянный ток выдает генератор тока. (См. вопрос выше)
Если источник напряжения выдает бесконечно большое напряжение и сопротивление R также имеет бесконечно большую величину, то по факту мы имеем уже идеальный генератор тока, и внешние цепи на величину этого тока влияния не оказывают.

RC–цепочка дифференцирующего типа

Ну тут все то же самое, что в интегрирующей цепочке, только наоборот.

рис 12. Дифференцирующая цепочка.

Более подробно свойства RC цепей хорошо освещены в интернете.

Параллельное и последовательное соединение конденсаторов

Так же как резисторы, конденсаторы можно соединять последовательно и параллельно.

При параллельном соединении емкости складываются — ну это и понятно, это как заполнять сообщающиеся сосуды, общий объем получается равным сумме объемов. При последовательном же соединении получится так, что конденсатор с маленькой емкостью заполнится зарядом быстрее, чем конденсатор с большой емкостью. Напряжение на маленьком конденсаторе быстро вырастет почти до напряжения источника ( ну и остальные конденсаторы внесут свой вклад) , ток в общей цепи уменьшится до нуля, и процесс заряда конденсаторов прекратится. Таким образом емкость последовательно соединенных конденсаторов получается меньше емкости самого маленького из них.

Upd.
Рассмотрим более подробно процесс заряда конденсатора на схеме рис.10 (по мотивам учебника И.В.Савельева «Курс общей физики», том II. «Электричество» )
Как было сказано в предыдущей статье О природе электрического тока электрический ток — это движение заряженных частиц. В проводниках ( в отличие от диэлектриков-изоляторов) часть электронов является свободными и такие электроны могут перескакивать от одного атому к другому. В целом проводник электрически нейтрален — отрицательный заряд электронов компенсируется положительным зарядом ядер атомов. Чтобы заставить электроны двигаться нужно создать их избыток на одном конце проводника и недостаток на другом. Этот избыток электронов на одном полюсе создает батарейка вследствие протекающих в ней электрохимических реакций. Когда проводник присоединяется к полюсам батарейки электроны от полюса, где их избыток начинают двигаться к другому полюсу, потому что одноименные заряды отталкивают друг друга. Эти свободные электроны движутся внутри проводника по всему объему.
Движение электронов в RC цепи на рис. 3 имеет другой характер. Поскольку цепь не замкнута (обкладки конденсатора не соединены друг с другом) постоянный ток в цепи идти не может. Поэтому поступающий избыток электронов с полюса батарейки приводит к тому, что проводник теряет электрическую нейтральность. Избыточный заряд q, распределяется по поверхности проводника так, чтобы напряженность поля внутри проводника была равна нулю. Ну это понятно, одноименные заряды отталкиваются и стремятся расположиться подальше друг от друга, то есть на поверхности. Если бы не было резистора R, то перераспределение зарядов по поверхности происходило бы мгновенно. Однако резистор ограничивает ток ( движение зарядов) поэтому перераспределение происходит постепенно. По мере зарядки конденсатора напряжение на нем растет и ток через резистор уменьшается. Избыточные электроны концентрируются на одной обкладке и создают электрическое поле. Это поле отталкивает электроны, находящиеся на другой обкладке и «проталкивает» их дальше по проводнику к отрицательному полюсу батареи. (Знаки + и — в данном случае берем условно). Таким образом в незамкнутой цепи протекает ток заряда конденсатора. Этот ток не постоянный и уменьшается со временем. Однако, если в какой-то момент поменять полярность батареи, то ток потечет уже в обратную сторону. Если это переключение делать достаточно часто, так чтобы конденсатор не успевал полностью зарядиться, то в цепи все время будет течь ток, то в одну, то в другую сторону. Это и происходит, когда говорят, что «конденсатор проводит переменный ток».
Для плоского конденсатора емкость равна С=ε0*ε*S/d , где d – зазор между обкладками, ε – диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего зазор, S — площадь обкладок.
То есть на емкость влияет не только площадь обкладок и расстояние между ними, но и материал диэлектрика, который между обкладками помещен. Причем на емкость конденсатора материал диэлектрика может влиять достаточно сильно, с разными дополнительными эффектами, см. например статью «Поляризация диэлектрика»

Литература
«Драма идей в познании природы», Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю., 1988
«Курс общей физики», том II. «Электричество» И.В.Савельев
Википедия — статьи про электричество.

РАЗНИЦА МЕЖДУ КОНДЕНСАТОРОМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И КОНДЕНСАТОРОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА | СРАВНИТЕ РАЗНИЦУ МЕЖДУ ПОХОЖИМИ ТЕРМИНАМИ — НАУКА

Конденсатор переменного тока против конденсатора постоянного токаКонденсатор переменного тока и конденсатор постоянного тока, чтобы узнать разницу между этими конденсаторами, нам сначала нужно знать,

Конденсатор переменного тока против конденсатора постоянного тока

Конденсатор переменного тока и конденсатор постоянного тока, чтобы узнать разницу между этими конденсаторами, нам сначала нужно знать, что такое конденсатор. По сути, это электронное устройство, состоящее из двух проводящих пластин, разделенных изолирующей средой. Емкость конденсатора зависит от площади поверхности пластин и расстояния между пластинами (которое зависит от толщины изолирующей пластины). Емкость или значение конденсатора выражается в микрофарадах, что составляет миллионную долю фарада. Конденсатор был изобретен немецким ученым Эвальдом Георгом в 1745 году. Он взял стеклянную банку, частично наполнил ее водой и заткнул ее пробкой, через которую проходила проволока. Проволока погружалась в воду, и когда она была подключена к источнику статического электричества, это заставляло банку заряжаться.

На практике конденсатор можно рассматривать как батарею. Но если батарея производит электроны на одном выводе и поглощает их на другом выводе, конденсаторы хранят только электроны. Конденсатор легко сделать из двух кусков алюминиевой фольги, разделив их листом бумаги. Конденсаторы широко используются в бытовой технике и гаджетах, таких как радиосхемы, часы, будильники, телевизоры, компьютеры, рентгеновские аппараты и аппараты МРТ и многие другие машины с электронным управлением.

Основное различие между конденсатором переменного тока и конденсатором постоянного тока

Если конденсатор присоединен к батарее, после того, как конденсатор заряжен, он не позволяет току течь между полюсами батареи. Таким образом он блокирует постоянный ток. Но в случае переменного тока ток непрерывно течет через конденсатор. Это потому, что конденсатор заряжается и разряжается со скоростью, равной частоте тока. Таким образом, конденсатор позволяет току течь непрерывно, если он переменный.

Конденсатор и постоянный ток

Когда конденсатор подключен к источнику постоянного тока, сначала ток увеличивается, но как только напряжение на выводах конденсатора сравняется с приложенным напряжением, ток прекращается. Когда ток перестает течь от источника питания к конденсатору, говорят, что он заряжен. Теперь, если источник питания постоянного тока отключен, конденсатор будет сохранять напряжение на своих выводах и оставаться заряженным. Для разряда конденсатора достаточно соприкоснуться внешними выводами друг с другом. Разумно помнить, что конденсатор не может заменить батарею и служит только для заполнения очень небольших провалов напряжения.

Конденсатор и переменный ток

В случае подключения источника переменного тока к конденсатору ток течет только до тех пор, пока источник питания включен и подключен.

Конденсатор в цепи переменного тока

Конденсатор в цепи переменного тока

Подробности

Просмотров: 547

«Физика — 11 класс»

Постоянный ток не может идти по цепи, содержащей конденсатор, так как обкладки конденсатора разделены диэлектриком.
Переменный же ток может идти по цепи, содержащей конденсатор.

Есть источники постоянного и переменного напряжений, в которых постоянное напряжение на зажимах источника равно действующему значению переменного напряжения.
Цепь состоит из конденсатора и лампы накаливания, соединенных последовательно.
При включении постоянного напряжения (переключатель влево) лампа не светится.
При включении переменного напряжения (переключатель вправо) лампа загорается, если емкость конденсатора достаточно велика.

Под действием переменного напряжения происходит периодическая зарядка и разрядка конденсатора.
Ток, идущий в цепи при перезарядке конденсатора, нагревает нить лампы.

Если сопротивлением проводов и обкладок конденсатора можно пренебречь,

то напряжение на конденсаторе равно напряжению на концах цепи.

Следовательно,

Заряд конденсатора меняется по гармоническому закону:

q = CU_m cos ωt

Сила тока, представляющая собой производную заряда по времени, равна:

Колебания силы тока опережают по фазе колебания напряжения на конденсаторе на .

Амплитуда силы тока равна:

I_m = U_mCω

Если ввести обозначение

и вместо амплитуд силы тока и напряжения использовать их действующие значения, то получим

Величину Х_с, обратную произведению ωС циклической частоты на электрическую емкость конденсатора, называют емкостным сопротивлением.
Роль этой величины аналогична роли активного сопротивления R в законе Ома.
Действующее значение силы тока связано с действующим значением напряжения на конденсаторе точно так же, как связаны согласно закону Ома сила тока и напряжение для участка цепи постоянного тока.
Это и позволяет рассматривать величину Х_с как сопротивление конденсатора переменному току (емкостное сопротивление).

Чем больше емкость конденсатора, тем больше ток перезарядки.
Это легко обнаружить по увеличению накала лампы при увеличении емкости конденсатора.
В то время как сопротивление конденсатора постоянному току бесконечно велико, его сопротивление переменному току имеет конечное значение Х_с.
С увеличением емкости оно уменьшается.
Уменьшается оно и с увеличением частоты ω.

На протяжении четверти периода, когда конденсатор заряжается до максимального напряжения, энергия поступает в цепь и запасается в конденсаторе в форме энергии электрического поля.
В следующую четверть периода, при разрядке конденсатора, эта энергия возвращается в сеть.

Итак,
сопротивление цепи с конденсатором обратно пропорционально произведению циклической частоты на электроемкость. Колебания силы тока опережают по фазе колебания напряжения на .

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Электромагнитные колебания. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур. Превращение энергии при электромагнитных колебаниях — Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями — Уравнение, описывающее процессы в колебательном контуре. Период свободных электрических колебаний — Переменный электрический ток — Активное сопротивление. Действующие значения силы тока и напряжения — Конденсатор в цепи переменного тока — Катушка индуктивности в цепи переменного тока — Резонанс в электрической цепи — Генератор на транзисторе. Автоколебания — Краткие итоги главы

Как течет ток через конденсатор — MOREREMONTA

а для переменного тока конденсатор является частью колебательного контура. он играет роль накопителя электрической энергии и в сочетаниии с катушкой, они прекрасно сосуществуют, переобразовывая электрическую энегрию в магнитную и обратно со скоростью/частотой равной их собственной omega = 1/sqrt(C*L)

пример: такое явление как молния. думаю слышал. хотя плохой пример, там зарядка происходит через электризацию, изза трения атмосферного воздуха о поверхность земли. но пробой всегда как и в конденсаторе происходит только при достижении так называемого пробивного напряжения.

Проходит электрический ток через конденсатор или не проходит? Повседневный радиолюбительский опыт убедительно говорит, что постоянный ток не проходит, а переменный проходит.

Это легко подтвердить опытами. Можно зажечь лампочку, присоединив ее к сети переменного тока через конденсатор. Громкоговоритель или телефонные трубки будут продолжать работать, если их присоединить к приемнику не непосредственно, а через конденсатор.

Конденсатор представляет собой две или несколько металлических пластин, разделенных диэлектриком. Этим диэлектриком чаще всего бывает слюда, воздух или керамика, являющиеся наилучшими изоляторами. Вполне естественно, что постоянный ток не может пройти через такой изолятор. Но почему же проходит через него переменный ток? Это кажется тем более странным, что такая же самая керамика в виде, например, фарфоровых роликов прекрасно изолирует провода переменного тока, а слюда прекрасно выполняет функции изолятора в паяльник ах, электроутюгах и других нагревательных приборах, исправно работающих от переменного тока.

Посредством некоторых опытов мы могли бы «доказать» еще более странный факт: если в конденсаторе заменить диэлектрик со сравнительно плохими изоляционными свойствами другим диэлектриком, который является лучшим изолятором, то свойства конденсатора изменятся так, что прохождение переменного тока через конденсатор будет не затруднено, а, наоборот, облегчено. Например, если включить лампочку в цепь переменного тока через конденсатор с бумажным диэлектриком и затем заменить бумагу таким прекрасным изолятором; как стекло или фарфор такой же толщины, то лампочка начнет гореть ярче. Подобный опыт позволит прийти к заключению, что переменный ток не только проходят через конденсатор, но что он к тому же проходит тем легче, чем лучшим изолятором является его диэлектрик.

Однако, несмотря на всю кажущуюся убедительность подобных опытов, электрический ток — ни постоянный, ни переменный — через конденсатор не проходит. Диэлектрик, разделяющий пластины конденсатора, служит надежной преградой на пути тока, каким бы он ни был — переменным или постоянным. Но это еще не означает, что тока не будет и во всей той цепи, в которую включен конденсатор.

Конденсатор обладает определенным физическим свойством, которое мы называем емкостью. Это свойство состоит в способности накапливать на обкладках электрические заряды. Источник электрического тока можно грубо уподобить насосу, перекачивающему в цепи электрические заряды. Если ток постоянный, то электрические заряды перекачиваются все время в одну сторону.

Как же будет вести себя в цепи постоянного тока конденсатор?

Наш «электрический насос» будет качать заряды на одну его обкладку и откачивать их с другой обкладки. Способность конденсатора удерживать на своих обкладках (пластинах) определенную разницу количества зарядов и называется его емкостью. Чем больше емкость конденсатора, тем больше электрических зарядов может быть на одной обкладке по сравнению с другой.

В момент включения тока конденсатор не заряжен — количество зарядов на его обкладках одинаково. Но вот ток включен. «Электрический насос» заработал. Он погнал заряды на одну обкладку и начал откачивать их с другой. Раз в цепи началось движение зарядов, значит в ней начал протекать ток. Ток будет течь до тех пор, пока конденсатор не зарядится полностью. По достижении этого предела ток прекратится.

Следовательно, если в цепи постоянного тока есть конденсатор, то после ее замыкания ток в ней будет течь столько времени сколько нужно для полного заряда конденсатора.

Если сопротивление цепи, через которую заряжается конденсатор, сравнительно невелико, то время заряда оказывается очень коротким: оно длится ничтожные доли секунды, после чего течение тока прекращается.

Иное дело в цепи переменного тока. В этой цепи «насос» перекачивает электрические заряды то в одну, то в другую сторону. Едва создав на одной обкладке конденсатора превышение количества зарядов по сравнению с количеством их на другой обкладке, насос начинает перекачивать их в обратно направлении. Заряды будут циркулировать в цепи непрерывно, значит в ней, несмотря на присутствие не проводящего ток конденсатора, будет существовать ток — ток заряда и разряда конденсатора.

От чего будет зависеть величина этого тока?

Под величиной тока мы понимаем количество электрических зарядов, протекающих в единицу времени через поперечное сечение проводника. Чем, больше емкость конденсатора, тем больше зарядов потребуется для его «заполнения», значит тем сильнее будет ток в цепи. Емкость конденсатора зависит от ве-, личины пластин, расстояния между ними и рода разделяющего их диэлектрика, его диэлектрической проницаемости. У фарфора диэлектрическая проницаемсклъ больше, чем у бумаги, поэтому при замене в конденсаторе бумаги фарфором ток в цепи увеличивается, хотя фарфор является лучшим изолятором, чем бумага. процесса: будем наполнять и опорожнять сосуд 2 раза в секунду, то по трубке в секунду пройдет уже 4 л воды — увеличение частоты процесса при неизменной емкости сосуда привело к соответствующему увеличению количества воды, протекающей по трубке.

Из всего сказанного можно сделать следующие выводк: электрический ток — ни постоянный, ни переменный — через конденсатор не проходит. Но в цепи, соединяющей источник переменного тока с конденсатором, течет ток заряда и разряда этого конденсатора. Чем больше емкость конденсатора и выше частота тока, тем сильнее будет этот ток.

Эта особенность переменного тока чрезвычайно широко используется в радиотехнике. На ней основано и излучение радиоволн. Для этого мы возбуждаем в передающей антенне высокочастотный переменный ток. Но почему же ток течет в антенне, ведь она не представляет собой замкнутую цепь? Он течет потому, что между проводами антенны и противовеса или землей существует емкость. Ток в антенне представляет собой ток заряда и разряда этой емкости, этого конденсатора.

Здесь Ваше мнение имеет значение — поставьте вашу оценку (оценили — 45 раз)

Л. В. Кубаркин и Е. А. Левитин, Занимательная радиотехника, Госэнергоиздат, 1956.

Конденсатор в цепи постоянного тока

Итак, берем блок питания постоянного напряжения и выставляем на его крокодилах напряжение в 12 Вольт. Лампочку тоже берем на 12 Вольт. Теперь между одним щупом блока питания и лампочки вставляем конденсатор:

А вот если напрямую сделать, то горит:

Отсюда напрашивается вывод: постоянный ток через конденсатор не течет!

Если честно, то в самый начальный момент подачи напряжения ток все-таки течет на доли секунды. Все зависит от емкости конденсатора.

Конденсатор в цепи переменного тока

Итак, чтобы узнать, течет ли переменный ток через конденсатор, нам нужен генератор переменного тока. Думаю, этот генератор част оты вполне сойдет:

Так как китайский генератор у меня очень слабенький, то мы вместо нагрузки-лампочки будем использовать простой резистор на 100 Ом. Также возьмем и конденсатор емкостью в 1 микрофарад:

Спаиваем как-то вот так и подаем сигнал с генератора частоты:

Далее за дело берется Цифровой осциллограф OWON SDS 6062. Что такое осциллограф и с чем его едят, читаем зде сь. Будем использовать сразу два канала. На одном экране будут высвечиваться сразу два сигнала. Здесь на экранчике уже видны наводки от сети 220 Вольт. Не обращайте внимание.

Будем подавать переменное напряжение и смотреть сигналы, как говорят профессиональные электронщики, на входе и на выходе. Одновременно.

Все это будет выглядеть примерно вот так:

Итак, если у нас частота нулевая, то это значит постоянный ток. Постоянный ток, как мы уже видели, конденсатор не пропускает. С этим вроде бы разобрались. Но что будет, если подать синусоиду с частотой в 100 Герц?

На дисплее осциллографа я вывел такие параметры, как частота сигнала и его амплитуда: F – это частота, Ma – амплитуда (эти параметры пометил белой стрелочкой). Первый канал помечен красным цветом, а второй канал – желтым, для удобства восприятия.

Красная синусоида показывает сигнал, который выдает нам китайский генератор частоты. Желтая синусоида – это то, что мы уже получаем на нагрузке. В нашем случае нагрузкой является резистор. Ну вот, собственно, и все.

Как вы видите на осциллограмме выше, с генератора я подаю синусоидальный сигнал с частотой в 100 Герц и амплитудой в 2 Вольта. На резисторе мы уже видим сигнал с такой же частотой (желтый сигнал), но его амплитуда составляет каких-то 136 милливольт. Да еще и сигнал получился какой-то “лохматый”. Это связано с так называемыми “шумами“. Шум – это сигнал с маленькой амплитудой и беспорядочным изменением напряжения. Он может быть вызван самими радиоэлементами, а также это могут быть помехи, которые ловятся из окружающего пространства. Например очень хорошо “шумит” резистор. Значит “лохматость” сигнала – это сумма синусоиды и шума.

Амплитуда желтого сигнала стала меньше, да еще и график желтого сигнала сдвигается влево, то есть опережает красный сигнал, или научным языком, появляется сдвиг фаз. Опережает именно фаза, а не сам сигнал. Если бы опережал сам сигнал, то у нас бы тогда получилось, что сигнал на резисторе появлялся бы по времени раньше, чем сигнал, поданный на него через конденсатор. Получилось бы какое-те перемещение во времени :-), что конечно же, невозможно.

Сдвиг фаз – это разность между начальными фазами двух измеряемых величин. В данном случае напряжения. Для того, чтобы произвести замер сдвига фаз, должно быть условие, что у этих сигналов одна и та же частота. Амплитуда может быть любой. Ниже на рисунке приведен этот самый сдвиг фаз или, как еще его называют, разность фаз:

Давайте увеличим частоту на генераторе до 500 Герц

На резисторе уже получили 560 милливольта. Сдвиг фаз уменьшается.

Увеличиваем частоту до 1 КилоГерца

На выходе у нас уже 1 Вольт.

Ставим частоту 5 Килогерц

Амплитуда 1,84 Вольта и сдвиг фаз явно стает меньше

Увеличиваем до 10 Килогерц

Амплитуда уже почти такая же как и на входе. Сдвиг фаз менее заметен.

Ставим 100 Килогерц:

Сдвига фаз почти нет. Амплитуда почти такая же, как и на входе, то есть 2 Вольта.

Отсюда делаем глубокомысленные выводы:

Чем больше частота, тем меньшее сопротивление конденсатор оказывает переменному току. Сдвиг фаз убывает с увеличением частоты почти до нуля. На бесконечно низких частотах его величина составляет 90 градусов или π/2.

Если построить обрезок графика, то получится типа что-то этого:

По вертикали я отложил напряжение, по горизонтали – частоту.

Итак, мы с вами узнали, что сопротивление конденсатора зависит от частоты. Но только ли от частоты? Давайте возьмем конденсатор емкостью в 0,1 микрофарад, то есть номиналом в 10 раз меньше, чем предыдущий и снова прогоним по этим же частотам.

Смотрим и анализируем значения:

Внимательно сравните амплитудные значения желтого сигнала на одной и той же частоте, но с разными номиналами конденсатора. Например, на частоте в 100 Герц и номиналом конденсатора в 1 мкФ амплитуда желтого сигнала равнялась 136 милливольт, а на этой же самой частоте амплитуда желтого сигнала, но с конденсатором в 0,1 мкФ уже была 101 милливольт( в реальности еще меньше из за помех). На частоте 500 Герц – 560 милливольт и 106 милливольт соответственно, на частоте в 1 Килогерц – 1 Вольт и 136 милливольт и так далее.

Отсюда вывод напрашивается сам собой: при уменьшении номинала конденсатора его сопротивление стает больше.

С помощью физико-математических преобразований физики и математики вывели формулу для расчета сопротивления конденсатора. Прошу любить и жаловать:

где, Х_С – это сопротивление конденсатора, Ом

П – постоянная и равняется приблизительно 3,14

F – частота, измеряется в Герцах

С – емкость, измеряется в Фарадах

Так вот, поставьте в эту формулу частоту в ноль Герц. Частота в ноль Герц – это и есть постоянный ток. Что получится? 1/0=бесконечность или очень большое сопротивление. Короче говоря, обрыв цепи.

Заключение

Забегая вперед, могу сказать, что в данном опыте мы получили Фильтр Высокой Частоты (ФВЧ). С помощью простого конденсатора и резистора, применив где-нибудь в звуковой аппаратуре такой фильтр на динамик, в динамике мы будет слышать только писклявые высокие тона. А вот частоту баса как раз и заглушит такой фильтр. Зависимость сопротивления конденсатора от частоты очень широко используется в радиоэлектронике, особенно в различных фильтрах, где надо погасить одну частоту и пропустить другую.

Выбор зарядного устройства для конденсаторов | telkoor

Основные параметры и варианты выбора блока питания для зарядки конденсаторов

Источники питания для зарядки квазипостоянных конденсаторов cas study

Автор: Исаак Цукер, технический директор Advice Electronics Ltd.

Расчетное время считывания: 9 минут

Источники питания для зарядки конденсаторов используются для импульсных приложений, таких как IPL или импульсные лазеры для эстетической медицины, а также для управления импульсными лазерами, предназначенными для различных медицинских или промышленных приложений, а также для многих других областей применения.

Основные параметры для выбора блока питания для зарядки конденсаторов

Наиболее важными параметрами, которые определят, какой источник питания для зарядки конденсаторов вы выберете и в конечном итоге интегрируете в свой продукт, являются:

• Электрические параметры

• Физический размер

• Надежность

• Цена
  

Среди множества основных электрических параметров для выбора конденсаторного зарядного устройства можно выделить следующие:

1. Выходная мощность: измеряется в Джоулях / сек (или ваттах).Он определяет, насколько быстро конденсатор будет заряжаться до необходимого рабочего напряжения.
   

2. Частота повторения: указывает, сколько раз в минуту или в секунду может заряжаться конденсатор. Чем выше скорость, тем выше средняя мощность, которую выдает источник питания для зарядки конденсатора.
   

3. Номинальное выходное напряжение: указывает напряжение, до которого будет заряжаться нагрузочный конденсатор.
   

4. Входной ток утечки: параметр безопасности, указывающий ток утечки на землю.Например, для большинства медицинских приложений ток утечки обычно должен составлять 0,5 мА или меньше, в зависимости от класса устройства и требуемой сертификации.
   

5. Пользовательский интерфейс, который обычно включает в себя как минимум: сигнал включения / выключения для включения источника питания зарядки, аналоговый управляющий сигнал «Vset» для установки напряжения конденсатора в конце заряда, сигнал «конец заряда», индикация того, что конденсатор полностью заряжен, и сигнал тревоги, указывающий на неисправность.
   

Технология источников питания для зарядки обычных конденсаторов

Технология, используемая в блоке питания для зарядки конденсаторов, влияет на все вышеперечисленные параметры, особенно на его физический размер, надежность и цену.

В этой статье мы обсудим стандартный, широко используемый подход к зарядке конденсаторов постоянным током и сравним его с подходом Advice Electronics Ltd., который позволяет использовать квазипостоянную мощность меньшего размера, более надежную и экономичную ( QCP) блоки питания для зарядки конденсаторов.

Стандартный подход к зарядке конденсатора постоянным током

В диапазоне 1 или 2 кДж / сек. и выше, большинство имеющихся на рынке источников питания для зарядки конденсаторов построены с использованием метода зарядки конденсаторов постоянным током.

Немного теории: напряжение (в вольтах) на конденсаторе равно поданному на него заряду (в кулонах), деленному на емкость конденсатора (в фарадах). Заряд, подаваемый на конденсатор, равен интегралу тока за период зарядки.В этом случае, поскольку ток постоянен, мы получаем линейный профиль напряжения заряда конденсатора.

Поскольку мощность, подаваемая на нагрузку в любой момент, в данном случае на конденсатор, пропорциональна выходному напряжению, умноженному на выходной ток, и поскольку выходной ток постоянен, а напряжение конденсатора линейно увеличивается со временем (начиная с нуля) , мы заключаем, что выходная мощность блока питания для зарядки изначально равна нулю, линейно увеличиваясь в процессе зарядки.

Например, предположим, что мы готовы передавать энергию в 3000 Джоулей в секунду, используя источник постоянного тока для зарядки. В начале процесса зарядки напряжение на конденсаторе равно нулю, и, соответственно, мощность, передаваемая источником питания для зарядки конденсатора, равна нулю, затем она линейно увеличивается до тех пор, пока процесс зарядки не будет завершен (т.е. достигнут).

Поскольку напряжение конденсатора линейно увеличивается в течение периода зарядки, то же самое происходит и с выходной мощностью, выдаваемой источником питания для зарядки конденсатора постоянного тока (синяя линия), как показано на рисунке 1.

Энергия в Джоулях, передаваемая конденсатору, равна площади под синей линией на рисунке 1 ниже (вертикальная ось в ваттах, горизонтальная ось в мсек.).

Поскольку нам требуется в среднем 3000 Джоулей в секунду (оранжевая линия), а мощность зарядки, подаваемая источником питания, начинается с нуля и увеличивается линейно, конечная пиковая мощность зарядки, которую обеспечивает источник питания, составляет 6000 Джоулей в секунду, или 6000 Вт, как показано на рисунке 1 ниже.

Этот подход прост, а конструкция источника питания проста и включает контур регулирования постоянного тока.Однако этот подход предлагает плохое использование силовых компонентов источника питания (таких как силовые полупроводники, силовые трансформаторы и силовые дроссели), потому что они должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать как минимум вдвое большую мощность, требуемую приложением, что приводит либо к менее надежным или в более крупном и более дорогом устройстве — и, что еще хуже, часто приводит к сочетанию того и другого.

Блоки питания для зарядки конденсаторов с квазипостоянной мощностью (QCP)

Основное предположение, лежащее в основе этого подхода, заключается в том, что если бы мы могли подавать постоянную мощность на конденсатор, то мы могли бы обеспечить среднюю энергию в 3000 Джоулей в секунду, передавая 3000 Вт в процессе зарядки.Поскольку это половина пиковой мощности, необходимой для стандартного источника питания для зарядки постоянным током, мы получим более надежный и экономичный источник питания для зарядки конденсаторов меньшего размера.

Для этого давайте посчитаем, как напряжение и ток конденсатора должны вести себя во время зарядки.

Выходная мощность зарядного устройства:

Из (IX) мы узнаем, что если бы мы могли заряжать конденсатор, подавая постоянную мощность, напряжение на нем увеличивалось бы пропорционально квадратному корню из прошедшего времени.

Это показано на рисунке 2 ниже, изображающем моделирование напряжения на конденсаторе емкостью 1200 мкФ, заряжаемом до 500 В при постоянной мощности 3000 Джоул / с (или 3000 Вт). Вертикальная ось (напряжение) находится в вольтах, а горизонтальная (время) ось — в миллисекундах. Время зарядки, полученное при моделировании, составляет 50 мсек, что соответствует следующему расчетному времени зарядки, полученному путем деления энергии, накопленной в конденсаторе, на мощность, подаваемую на него:

Из (X) мы узнаем, что если бы мы могли зарядить конденсатора с постоянной мощностью, ток в начале процесса зарядки (при t = 0) будет бесконечным, уменьшаясь со временем.

На рисунке 3 ниже показаны результаты моделирования тока, подаваемого на конденсатор (в амперах) при зарядке при постоянной мощности (горизонтальная ось в миллисекундах). В первый момент (первая миллисекунда не показана) ток бесконечен и постепенно уменьшается, пока конденсатор не будет полностью заряжен. Как только конденсатор заряжен, ток падает до нуля (через 50 мс), а его напряжение остается постоянным.

Практическим решением для оптимального использования силового оборудования зарядного источника питания было бы начать зарядку конденсатора максимальным постоянным током до достижения максимальной выходной мощности зарядного устройства конденсатора, а затем продолжать зарядку конденсатора при постоянной мощности до желаемого напряжения на конденсатор достигнут.

Этот процесс изображен на рисунке 4 ниже, который показывает результаты моделирования напряжения на конденсаторе при зарядке от источника питания для зарядки конденсатора квазипостоянной мощности (QCP) (вертикальная ось в вольтах, горизонтальная ось в мсек.). Параметры моделирования:

1. Емкость конденсатора: 1,200 мкФ

2. Напряжение в конце заряда: 500 В

3. Ограничение тока зарядного устройства: 22A

4. Постоянная мощность: 3250 Вт
   

В течение первых 7 мс зарядный ток ограничивается до 22 А, показывая линейное увеличение напряжения, а затем мощность зарядки, подаваемая на конденсатор, остается постоянной (3250 Вт) до тех пор, пока не будет достигнута полная зарядка (при 500 В).

На рисунке 5 ниже показан зарядный ток, подаваемый источником питания для зарядки конденсатора QCP на конденсатор во время периода зарядки (вертикальная ось в амперах, горизонтальная ось в мсек.). В течение первых 7 мс зарядный ток ограничен до 22 А, уменьшаясь в процессе зарядки.

На рисунке 6 ниже показано, как выходная мощность линейно увеличивается (в течение периода зарядки постоянным током) от нуля до полной мощности в течение первых 7 мс до достижения полной мощности (3250 Вт), затем выходная мощность остается постоянной, пока напряжение на конденсаторе не достигнет желаемое напряжение (500 В) — а затем оно падает до нуля после 50 мс зарядки (вертикальная ось в ваттах, горизонтальная ось в мс.).

На рисунке 7 ниже показана осциллограмма напряжения на конденсаторе, записанная во время периода зарядки, полученная с помощью реального источника питания для зарядки конденсатора QCP (Advice Electronics, модель LCH-3000-500). Осциллограмма на рисунке 7 была записана с помощью осциллографа Agilent DSO7014B.

Результат измерения, показанный на рисунке 7 (конденсатор заряжен от нуля до 500 В за 50 мс), очень хорошо сравнивается с теоретической смоделированной кривой зарядки, показанной на рисунке 4: они почти идентичны с незначительным отклонением в течение периода между 8 и 22 мс, как можно увидеть на рисунке 8 ниже, на котором измеренное напряжение конденсатора (желтым цветом, как ранее показано на рисунке 7) правильно масштабировано и накладывается на симулированную кривую зарядки квазипостоянной мощности (QCP) (синим цветом, как ранее показано на рисунок 4).

Практическое сравнение двух подходов

Чтобы зарядить конденсатор 1200 мкФ до 500 В за 50 мс, блок питания для зарядки конденсатора постоянного тока должен обеспечивать пиковую мощность 6 кВт (как показано на рисунке 1), а блок питания для зарядки конденсатора QCP должен обеспечивать пиковую мощность. 3,25 кВт для достижения того же результата.

Из приведенного выше обсуждения мы узнаем, что источник питания для зарядки конденсатора QCP должен обеспечивать пиковую мощность, равную лишь 108% от средней требуемой выходной мощности.Источник питания для зарядки конденсаторов постоянного тока должен обеспечивать пиковую мощность, равную 200% от средней требуемой выходной мощности, что примерно вдвое превышает пиковую мощность, требуемую от источника питания для зарядки конденсаторов QCP.

Этот фактор существенно влияет на конструкцию, размер, надежность и стоимость источника питания для зарядки конденсаторов.

Мы пришли к выводу, что эффективный подход к источнику питания для зарядки конденсатора с квазипостоянной мощностью (QCP) требует от его силовых компонентов значительно меньшего напряжения и меньшего размера, что также приводит к снижению стоимости и повышенной надежности при работе со значительно более низкой пиковой мощностью, чем у источника питания. единица постоянного тока.

Это приводит к меньшему размеру, более надежному и экономичному источнику питания для зарядки конденсаторов, как серия источников питания для зарядки конденсаторов LCH-XXX от Advice Electronics Ltd.

[1] ЛИУ Энь-Хуэй, Л.И. Синь-Хай, Е.П. Цзэ-Цян и др.Уцзи Хуасюэ Сюэбао (кит. J. Inorg. Chem.), 2003, 19 (10): 1113 ~ 1117.

[2] Сугимото В., Омума Т., Такасу Ю. Электроды из оксида молибдена / углеродного композита как электрохимические суперконденсаторы [J].Electrochem and Solid-State Lett, 2001, 4 (9): A145-A147.

DOI: 10.1149 / 1.1388995

[3] Юань Г. Х., Цзян З. Х., Арамата А. и др.Электрохимическое поведение материала конденсатора с активированным углем, загруженного оксидом никеля [Дж]. Углерод, 2005 (43): 2913-2917.

DOI: 10.1016 / j.carbon.2005.06.027

[4] Тай И Л, Дэн Х.Модификация пористого углерода пропиткой никелоксидом для увеличения электрохимической емкости и проводимости [Дж]. Углерод, 2004 (42): 2329-2366.

DOI: 10.1016 / j.carbon.2004.03.032

Источник тока и включенные конденсаторы параллельно — Рубен Санчес

Конденсатор — это электронное устройство, способное накапливать электрическую энергию в электрическом поле.Обычно конденсатор определяется в самом простом варианте как устройство с двумя пластинами площадью \ (A \), разделенными воздухом (или любым другим диэлектрическим материалом) на расстояние \ (d \).

По индуктивной нагрузке — собственный рисунок, выполненный в Inkscape 0.44, Public Domain, ссылка

Если источник тока пропускается через конденсатор, электроны (заряд) осаждаются на одной из пластин, создавая, в свою очередь, электрическое поле на них. Не будет никакого эффективного переноса заряда от одной пластины к другой, потому что пространство между ними заполнено диэлектрическим материалом (непроводящим).Однако электрическое поле через него может вызвать отталкивание или притяжение заряда на другой стороне пластины.

Папа Ноябрь — самодельная SVG-версия Image: Dielectric.png, включающая Image: Capacitor schematic.svg в качестве основы., CC BY-SA 3.0, Link

Конденсатор характеризуется своей емкостью. Емкость измеряется в фарадах (Ф) и определяет соотношение между величиной заряда, необходимой для увеличения одного вольта на выводах конденсатора.

\ [C = \ frac {Q} {V} \]

Следовательно, конденсатору с 1 Ф потребуется 1 кулон (1 Кл) заряда, чтобы установить 1 В на его выводах. Помните, что 1 C представляет собой количество энергии, переносимое постоянным током 1 А за 1 секунду.

Поведение конденсатора, подключенного к источнику постоянного тока

Давайте посмотрим, что произойдет, когда мы подключим источник постоянного тока к конденсатору. {- 12} ~ C \]

Теперь, каким было бы значение напряжения \ (V_1 \), если в момент времени \ (t_1 = 1 ~ ns \) второй конденсатор \ (C_2 \) (разряженный) емкостью \ (2 ~ пФ \) связаны?

В тот самый момент, когда второй конденсатор подключен параллельно, заряд в \ (C_1 \) будет распределяться между \ (C_1 \) и \ (C_2 \).{-12} ~ C \]

Если \ (C_2 \) отключен, заряд, хранящийся в нем, будет утерян и не будет перераспределен в сторону \ (C_1 \). Следовательно, общее количество заряда в системе на \ (t_2 = 2 ~ нс \) будет только на \ (C_1 \).

Теперь напряжение увеличивается с той же скоростью, что и в периоде \ (0

Следовательно, если мы построим график напряжения от \ (t = 0 ~ ns \) до \ (t_3 = 3 ~ ns \), мы получим следующий профиль напряжения для \ (V_1 \):

Зарядка и разрядка литиевого конденсатора при постоянном токе

Контекст 1

… I — ток разряда, t = t1 и ∆ V = V2 — V1. Где V1 = Vmin + 40% * (Vmax — Vmin) и V2 = Vmin + 80% * (Vmax — Vmin). В уравнении (3) I — это ток, t может быть продолжительностью заряда или разряда, а ∆ V — изменение напряжения литий-ионного конденсатора. Используя это выражение, мы определили эквивалентную емкость заряда и разряда для 50A, 100A, 150A и 200A. В таблице I приведены литий-ионные конденсаторы заряда (Ceqch) и разряда (Ceqdis). Текущий Ceqch Ceqdis (F) Ceqdis / Ceqch (A) (F) 50 2118 2100 99% 100 2083 2004 96% 150 2024 1955 96% Эти результаты показывают, что кулоновская эффективность литий-ионных конденсаторов (Ceqdis / Ceqch) очень высока (> 96%) по сравнению с аккумулятором.Для постоянного тока измерение ESR основано на разряде при постоянном токе (см. Напряжение разряда на рис. 5). Время между окончанием заряда и началом разряда фиксировано и составляет 30 мин. Эта продолжительность может быть уменьшена из-за очень низкого саморазряда литий-ионного конденсатора по сравнению с двухслойным конденсатором. ESR рассчитывается с использованием следующего выражения: ∆ U 3 (4) U3 — это падение напряжения, полученное на пересечении вспомогательной линии, продолжающейся от прямой части, и временной развертки в момент начала разряда, I — постоянный ток Разряд литий-ионного конденсатора.Ток (А) ESR (м) 50 1,84 100 1,70 150 1,78 Изменениями ESR с током для этих трех значений можно пренебречь. Определение характеристик переменного тока литий-ионного конденсатора было осуществлено с помощью спектроскопии электрохимического импеданса (EIS). Чтобы охарактеризовать исследуемый прибор, необходимо выполнить развертку по частоте для различных уровней напряжения. EIS позволяет изучить влияние частоты на литий-ионный конденсатор. На рисунке 6 показано изменение отрицательной мнимой части в зависимости от действительной части для различных значений напряжения.Видно, что эквивалентная емкость C литий-ионного конденсатора не зависит от напряжения. В первом приближении предполагается, что литий-ионный конденсатор моделируется сопротивлением, включенным последовательно с емкостью. Используя результаты EIS, мы вывели эволюцию C как функцию постоянного напряжения. На рисунке 7 представлены экспериментальные результаты. Можно видеть, что эквивалентная емкость литий-ионного конденсатора уменьшается с увеличением напряжения, когда V <3 В, и емкость увеличивается. Зависимость ESR от постоянного напряжения показана на рисунке 8.Нет, как в классическом конденсаторе с двойным слоем, увеличение напряжения приводит к уменьшению ESR. Это означает, что при высоком напряжении мы можем получить лучшую разрядную мощность. На рисунке 9 показано изменение емкости в зависимости от частоты для различных напряжений из этого рисунка; видно, что эквивалентная емкость C литий-ионного конденсатора не является линейной с напряжением. III. LI - МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНДЕНСАТОРА НА ОСНОВЕ Чтобы смоделировать компоненты LIC, мы выбрали модель «множественной проницаемости» [2], представленную на рисунке 10. Она состоит из четырех элементов, индуктивности L, последовательного сопротивления и комплексных параллельных импедансов пор, описываемых приведенным ниже уравнением.В представленной модели рассматриваются только Zp1 и Zp2. Параметры модели рассчитаны с использованием экспериментальных результатов EIS. Сравнение смоделированного и измеренного графика Найквита представлено на рисунке ...

Переоценка характеристик электрических двухслойных конденсаторов на основе постоянного тока заряда / разряда и циклической вольтамперометрии

Растущий спрос на портативную бытовую электронику и транспортные средства на альтернативной энергии создала уникальную рыночную площадку для электрохимического накопления энергии в двухслойных конденсаторах (EDLC).EDLC известны своей высокой плотностью мощности и высокой степенью обратимости, плотностью энергии, которая заполняет промежуток между обычными электростатическими / электролитическими конденсаторами и аккумуляторными батареями, и длительным саморазрядом, оставаясь при этом недорогими и экологически совместимыми устройствами ¹ . В отличие от батарей и топливных элементов, которые собирают энергию, хранящуюся в химических связях посредством фарадеевских реакций, выдающиеся свойства EDLC в основном являются результатом разделения электростатических зарядов нанометрового размера на границе раздела между пористым материалом электрода с большой площадью поверхности и электролитом ² .Однако Chmiola et al . показали, что субнанометрический размер пор, меньший, чем размер сольватированных ионов (таких как углерод, полученный из карбида), может резко увеличить энергию, запасаемую в устройстве ³ , что бросает вызов широко принятому традиционному механизму накопления заряда ^4,5 . Также было доказано, что гибридная конфигурация, в которой электроды изготовлены из пористого углеродного материала для поверхностной двухслойной емкости в сочетании с материалом батареи для создания псевдоемкости на основе объема, является эффективным подходом для повышения плотности энергии запоминающие устройства ^{6,7,8,9,10,11} .Таким образом, поскольку энергетические и энергетические характеристики EDLC определяются емкостью его электродов, а также переносом ионного и электронного заряда в ячейке ¹² , большинство исследований сосредоточено на рациональном дизайне и оптимизации наноструктурированных материалов. электролиты и вспомогательные компоненты ^1,3,11,13,14 .

Несмотря на это, в отличие от обычных конденсаторов, которые были доступны уже более века, методы измерения для определения основных показателей EDLC, т.е.е. емкость, внутреннее сопротивление, запасенная энергия и мощность все еще не стандартизированы должным образом ^15,16 . В результате мы видим, что оценка таких параметров с помощью обычно используемых методов электроанализа в установившемся режиме и импульсов ^15,16,17,18 в большинстве случаев адаптирована из формул, используемых для идеальных конденсаторов. Например, при гальваностатическом заряде / разряде, который состоит из изучения переходной характеристики напряжения устройства при приложении шагового тока I _cc , средняя емкость обычно рассчитывается по исх.15:

, где dV / dt является наклоном кривой время-напряжение. Емкость обычно измеряется по отклику устройства при различных значениях I _cc . В эксперименте с циклической вольтамперометрией (CV) измеряется зависимость тока от линейно изменяющегося напряжения ячейки между двумя выводами устройства, что дает качественную и количественную информацию о электродных процессах. Интегральная емкость C целевого электрода может быть рассчитана из кривых CV как ¹⁸ :

с численным интегрированием тока, проходящего через окно потенциала полупериода (Δ V ), и dV / dt — частота развертки напряжения ¹⁵ .Поскольку C зависит от скоростей развертки в тесте CV, устройство обычно заряжается и разряжается с разной скоростью и, следовательно, с разной мощностью ¹⁹ . Запасенная энергия оценивается на основе емкости постоянного тока и окна напряжения как E = C Δ В ² /2, а мощность от омического падения как p = В ² / 4 R _s , предполагая идеальное емкостное поведение ¹¹ .

Однако, исходя из очень специфического названия устройств EDLC (конденсаторы с потерями, протекающие конденсаторы или псевдоемкостные устройства), на самом деле неверно предполагать их идеальность, что и происходит при использовании уравнений 1 и 2. В частотной области, Устройства EDLC демонстрируют характеристики постоянной фазы или дробной мощности, отличные от отклика идеальных конденсаторов ²⁰ . На рис. 1 (а) мы показываем график Найквиста импедансной спектроскопии (EIS) для двух EDLC, являющихся предметом данного исследования, т.е.е. суперконденсатор Cooper Bussmann PowerStor (обозначается PS, номинал 2,7 В с номинальной емкостью 3 F и максимальное эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) 0,060 Ом при 1 кГц) и суперконденсатор NEC / TOKIN (обозначается NEC, номинал 5,5 В с номиналом 1 F емкость и максимальное значение ESR 65 Ом на частоте 1 кГц). Импедансная характеристика устройства PS типична для эквивалентного последовательного сопротивления ( R _s ) последовательно с поведением элемента постоянной фазы (CPE) ^{21,22,23,24,25,26} , так как состоит из прямой линии с уклоном 13.17 Ом / Ом (т.е. 85,6 °) с R _s = 40 мОм (Im ( Z ) = 0) при 5,3 кГц. Комплексная нелинейная аппроксимация импедансной характеристики методом наименьших квадратов с использованием модели R _s –CPE ( Z _CPE = 1/ Qs ^α , в которой псевдоемкость Q единиц F s ^{α −1} , s = jω , а коэффициент дисперсии α может принимать значения от 1 для элемента, действующего как идеальный конденсатор, до 0 для резистора ²⁴ ) привело к ( R _s , Q, α ) = (50 мОм, 2.04 F s ^{α −1} , 0,95). Хотя α очень близок к единице, устройство нельзя считать идеальным и ожидается рассеивание энергии. Импедансная характеристика NEC EDLC, с другой стороны, демонстрирует нелинейное поведение с большим отклонением от идеальности, включая вогнутый полукруг диаметром 3,44 Ом, представляющий наклонную под углом 43,0 ° псевдоварбургскую область (от 824 Гц до 28 мГц). ), и квазивертикальная линия с наклоном 85,4 ° относительно действительной оси в области низких частот от 28 мГц до 5 мГц.График аппроксимации R _s -CPE для экспериментальных данных в диапазоне от 824 Гц до 5 мГц, и его параметры показаны на рис. 1, хотя модель двойной дисперсии с двумя CPE была бы более подходящей ¹¹ . Коэффициент дисперсии α оказался равным 0,70, дальше от идеального конденсатора. Диаграммы Боде, т. Е. Сдвиг фазового угла импеданса в зависимости от частоты, как для PS, так и для NEC EDLC, показаны на рис. 1 (b), из которых можно вывести более подробную информацию об электрическом поведении устройств.Емкостное поведение проявляется только вблизи предела постоянного тока, где фазовый угол в зависимости от log (| f |) стремится к -90 °. PS EDLC показывает емкость, близкую к идеальной в более широком диапазоне частот. В промежуточной области частот, охватывающей несколько десятилетий, устройства проявляют тенденцию к резистивному поведению с потерей емкости, поскольку пористому материалу электрода не позволяют полностью заряжаться.

Рисунок 1

( a ) Представление Найквиста импеданса и ( b ) диаграммы Боде для EDLC NEC и PS.Также показаны графики и параметры с использованием комплексного нелинейного метода наименьших квадратов, аппроксимирующего модель R _s –CPE ( Q, α ).

Теперь, учитывая, что в частотной области EDLC демонстрируют постоянное фазовое поведение, неправильно возвращаться к моделированию R _s C для анализа их поведения во временной области ²⁰ . Более того, хотя EIS является мощным инструментом определения характеристик для оценки эквивалентных электрических цепей динамических процессов, анализ частотной характеристики остается довольно дорогостоящим с точки зрения аппаратного и программного обеспечения.В этом исследовании мы покажем, как точно охарактеризовать устройство EDLC, извлекая его параметры элемента эквивалентной схемы из характеристик заряда / разряда при постоянном токе во временной области и циклической вольтамперометрии с использованием исчисления дробного порядка. Мы приняли модель R _s −CPE ( Q, α ), которая предлагает одну дополнительную степень свободы по сравнению с обычно используемой моделью R _s C для лучшего приспособления ответ устройства.Наши результаты по откликам EDLC во временной области имеют достоинство в том, что (i) предоставляют дополнительные и недорогие альтернативы стандартному методу EIS, в то время как (ii) переопределяют показатели этих устройств (емкость, мощность и энергия), которые обычно и ошибочно используются. заимствован из моделей R _s C .

[решено] — заряд конденсатора с источником тока + резистор

Емкость — это количество заряда, необходимое для увеличения потенциала на 1 единицу.

Емкость — это пропорциональная мера количества энергии, которую конденсатор может хранить при заданном напряжении. Конденсатор емкостью 1 фарад может хранить полджоуля энергии при напряжении 1 вольт.

Заряд должен течь. Конденсатор хранит заряд .

Чистый заряд конденсатора равен 0,100 или 1000 вольт, а именно нулю. Это потому, что когда на конденсатор подается напряжение, то же количество заряда, которое входит в одну пластину, уходит с противоположной пластины.Заряд разделен и неуравновешен между пластинами, но чистое изменение заряда по-прежнему равно нулю. Это разделение вызывает образование электрического поля между пластинами, в котором хранится энергия. Следовательно, конденсатор «заряжается» энергией, а не заряжается. Так что с таким же успехом можно сказать, что конденсатор находится под напряжением. Заряженный означает наполненный энергией, и это совершенно недвусмысленно и правильно.

На самом деле энергия хранится в диэлектрике (это может быть вакуум) в электрическом поле.

Энергия накапливается в электрическом поле, пронизывающем диэлектрик. Диэлектрик изменяет диэлектрическую проницаемость, что влияет на характеристики поля.

Поток заряда текущий.

Да, это определение тока.

Ток, протекающий через диэлектрик, называется «током смещения» — см. Подробности: https://en.wikipedia.org/wiki/Displacement_current.

Это неправильное название Максвелла.Хотя член, который он добавил в уравнение поля, имеет единицы измерения тока, на самом деле он вообще не является текущим. Его уравнения верны, но его терминология неверна. Так же, как крутящий момент и работа имеют одни и те же единицы (ньютон-метры), но являются разными объектами, так и его ложный «ток смещения».

Переменный ток течет через конденсатор точно так же, как резистор: за исключением фазы.

Если ток действительно протекает через конденсатор, он будет считаться протекающим.Он также рассеивает тепло, чего никогда не бывает с идеальным конденсатором. Конденсатор накапливает и возвращает энергию цепи дважды за цикл. В заключение, ток существует до одной пластины конденсатора и измеряется амперметром. Ток также существует с противоположной пластины и измеряется амперметром. Через конденсатор никогда не проходит ток. Заряд накапливается на одной пластине и истощается на противоположной пластине. Это то, что заставляет ток выглядеть , как если бы он существовал через конденсатор.

— — — Обновлено — — —

c0x,

Спасибо за вашу благодарность. Я предположил, что конденсатор изначально был обесточен, а источники тока и напряжения были включены одновременно.

Ratch

Постоянная времени и энергия, накопленная в конденсаторах

Конденсаторы разряжаются экспоненциально. Это означает, что их заряд спадает аналогично распаду радиоактивного материала.В радиоактивности у вас есть период полураспада, в емкости — «постоянная времени» .

Скорость снятия заряда пропорциональна количеству оставшегося заряда.

По мере того, как время идет вперед через равные интервалы, T (так называемая постоянная времени ), заряд падает каждый раз в той же пропорции . Оказывается, что для каждого интервала T заряд или ток падает примерно до 0,37 (37%) от своего начального значения. ( Примечание: Для математиков среди вас это число может быть вычислено с использованием 1 / e, где e — экспоненциальная константа со значением 2.718.)

Постоянную времени T можно рассчитать по формуле:

T = RC

Где:

T = постоянная времени

R = сопротивление в цепи (Ом)

C = емкость цепи (F)

Таким образом, фактор, который определяет, насколько быстро падает заряд, — это комбинация емкости конденсатора и сопротивления, через которое он разряжается.

На практике требуется 0,69 x RC (ln2 x RC), чтобы заряд был половиной от его первоначального значения. За это время ток разряда также упадет до половины своего первоначального значения.

Чтобы рассчитать заряд Q, оставшийся на конденсаторе после времени t, необходимо использовать уравнение:

Где:

Q ₀ = начальный заряд конденсатора

Q = заряд конденсатора в любое время

t = время

RC = постоянная времени

Точно так же ток или напряжение в любое время можно найти с помощью:

Поскольку все эти отношения являются экспоненциальными, можно построить графики натурального логарифма для получения значений постоянной времени. Например:

(Запомните для y = mx + c

м дает уклон графика

c — точка пересечения оси y при x = 0)

Разность потенциалов на пластинах конденсатора прямо пропорциональна заряду, накопленному на пластинах. Это дает прямую линию через начало координат на графике напряжение-заряд. Площадь под этим графиком показывает энергию, запасенную в конденсаторе.

Поскольку область под графиком представляет собой треугольник,

площадь = ½ основания x высота.

Примечание: энергия, используемая элементом для зарядки конденсатора, W = QV, но энергия, запасенная на конденсаторе, = 1/2 QV. Таким образом, половина энергии теряется в цепи в виде тепловой энергии при замене конденсатора.

Поскольку конденсаторы способны накапливать энергию, их можно использовать в резервных системах в электрических устройствах, таких как компьютеры.