Конденсаторы и фильтрация мощности

Эта статья посвящена следующей группе пассивных элементов, встречающихся почти в каждом электронном устройстве.

Речь идет о конденсаторах, которые могут действовать как небольшие батареи, накапливающие в себе электрическую энергию. Благодаря этому, конденсаторы идеальны в качестве силовых фильтров.

Что такое конденсаторы?

Конденсаторы можно разделить на два типа: полярные и неполярные. Так что для одних типов конденсаторов важно знать полярность при включении их в схему, а для других совершенно безразлично. Ниже показаны различные типы конденсаторов:

Конденсаторы подключаются параллельно с питанием, благодаря чему они ведут себя так же, как батареи: они заряжаются во время нормальной работы и разряжаются, когда нашего источника питания временно недостаточно.

Полярные конденсаторы

К полярным конденсаторам относятся электролитические конденсаторы. Эти элементы нужно уметь правильно подключать. Ножки конденсаторов имеют разную длину: более длинная — плюс, более короткая — минус.

Обычно, на схемах, знак плюс указывает на выход, который должен быть подключен к плюсовой шине питания («плюс» от батареи).

Пример электролитического конденсатора с описанным символом

Как устроен электролитический конденсатор?

Внутри такой конденсатор состоит из двух материалов с диэлектриком (т.е. бумагой, пропитанной электролитом). Эти материалы плотно скатываются и запрессовываются в алюминиевый стаканчик, который закрывается резиновой пробкой. Материалы отличаются друг от друга:  один из них представляет собой металлический электрод, а другой — электролит. Поэтому так важно знать полярность данного конденсатора.

На картинках ниже показан урезанный конденсатор емкостью 100 мкФ:

Конденсатор после снятия корпуса	Скрученные материалы конденсатора	Материалы конденсаторов в развернутом виде

Всегда внимательно проверяйте полярность!

Не правильное подключение конденсатора может вызвать повреждение, короткое замыкание или взрыв!

Подбирая конденсаторы, нужно выбирать элементы с соответствующим рабочим напряжением, и помните о правильности их подключения.

Следующий эксперимент с неправильным подключением конденсатора был проведен нами в безопасных контролируемых условиях. Не делайте этого самостоятельно! На фото ниже показано, что происходит с конденсатором, напряжение которого обратно пропорционально.

И кстати, подумайте, а что было бы, если бы мы подключили 20 таких конденсаторов, и при включении все они взорвались? Ниже представлены фото до включения питания и после:

Рабочий конденсатор	Неправильно подключенный конденсатор

Бывает, что конденсатор со временем может перестать работать. Нерабочий конденсатор можно определить на глаз, его распирает, стаканчик как бы вздувается. Конденсаторы большей емкости снабжены предохранительными механизмами, в виде прорезей в верхней его части.

Эти прорези работают как предохранительный клапан, который открывается при повышении внутреннего давления до того, как произойдет взрыв. Выше вы видите электролитический конденсатор, в котором сработал такой предохранительный механизм.

Неполярные конденсаторы

Неполярных конденсаторов, довольно много, и их разнообразие связано с материалами, из которых изготовлены диэлектрики, находящиеся между пластинами. Среди прочего используются:

• керамические конденсаторы,
• полиэфирные и полипропиленовые конденсаторы.

У каждой группы таких конденсаторов разные применения. Керамические конденсаторы используются, например, в системах, где напряжения могут изменяться очень и очень часто, а фольговые конденсаторы — в системах, работающих при сетевом напряжении, их используют из-за высокого сопротивления напряжению (порядка сотен вольт) и малых потерь.

Керамических конденсаторов достаточно для микроконтроллерной электроники и большинства цифровых схем.

Независимо от типа неполяризованного конденсатора, на схеме они представлены одинаково. Безполярные конденсаторы, в зависимости от способа их изготовления, также доступны в различных корпусах.

Популярные керамические конденсаторы выглядят как маленькие коричневые «пилюли».

Также стоит из любопытства узнать, как выглядят элементы, которыми мы сейчас заниматься не будем. Пленочные конденсаторы известны как прямоугольные кубики разного цвета:

Пленочный конденсатор	Поврежденный корпус пленочного конденсатора	Развернутая фольга конденсатора

Существуют также танталовые конденсаторы, сочетающие в себе преимущества электролитических (большая емкость) и керамических (отсутствие высыхания, низкие потери) конденсаторов, но они не очень популярны среди новичков из-за относительно высокой цены.

Танталовый конденсатор (вид сверху)	Танталовый конденсатор (вид снизу)

На танталовых конденсаторах, цветная полоса на корпусе, указывает на положительный полюс! Если припаять эти компоненты наоборот, они вызовут короткое замыкание!

Емкость конденсатора

Конденсаторы в основном характеризуются двумя параметрами: емкостью и рабочим напряжением. Первый описывает способность накапливать заряд и выражается в фарадах (символ F). Однако это очень большая единица, поэтому на практике вы в основном встретите:

• пикофарады [пФ] (1 пФ = 0,000,000,000,001 Ф),
• нанофарады [нФ] (1 нФ = 0,000,000,001 Ф),
• микрофарады [мкФ] (1 мкФ = 0,000 001 Ф).

Греческую букву «ми» [μ] проблематично написать на компьютере, поэтому латинская буква [u] часто используется для обозначения сходства.

Рабочее напряжение конденсатора

Этот параметр выражается в вольтах [В] и определяет, какое напряжение может существовать между пластинами конденсатора без риска его повреждения. Это предельное значение, поэтому вам следует использовать элементы с напряжением выше, чем ожидаемое в цепи. Наиболее распространенные рабочие напряжения конденсаторов: 10 В, 16 В, 25 В, 35 В, 50 В, 63 В и 100 В.

Максимальное рабочее напряжение существенно влияет на размер конденсаторов.

Например, самый большой (физически) конденсатор на фото ниже имеет наименьшую емкость, но способен выдерживать очень высокое напряжение (330 В).

Например, для системы питающейся от автомобильного аккумулятора (напряжение 12,8 В, максимум 14,4 В или даже> 15 В), вы можете использовать конденсаторы на 16 В, но это будет очень маленький запас. Лучше использовать конденсаторы, адаптированные к напряжению, например 25 В.

Однозначного ответа на вопрос, насколько выше ожидаемого будет рабочее напряжение конденсатора, которое появится на нем при работе, нет. Часто предполагается, что по крайней мере 20% запаса выше максимального ожидаемого напряжения.

Некоторые электролитические конденсаторы небольшой емкости, например 1 мкФ или 2,2 мкФ, производятся только для напряжений 50 В и выше. Противопоказаний к использованию в цепи с напряжением в несколько вольт нет.

Использование конденсаторов на практике

Конденсаторы — не особо впечатляющие элементы (ну, может быть, не считая взрыва выше). Их начинают ценить, когда они перестают работать, и устройство начинает «сходить с ума» из-за скачков напряжения.

Однако давайте проведем простой эксперимент, который позволит вам увидеть своими глазами,

как конденсаторы накапливают энергию. Нам понадобятся:

• Макетная плата,
• Аккумулятор 9 В с клеммами,
• Резистор 1 кОм,
• Зеленый светодиод,
• Конденсаторы 1000 мкФ, 220 мкФ и 100 нФ,
• Один провод к плате.

Экспериментальная схема для подключения конденсатора

Мы поговоримм о светодиодах более подробно в следующей статье. Вкратце: этот элемент горит (в данном случае зеленым), когда через него протекает слабый ток (1-30 мА). На данный момент достаточно подключить диод по приведенной выше схеме, т.е. более короткую ножку диода к земле (минус), а более длинную — к плюсу через резистор.

Помните о правильной полярности электролитического конденсатора. Минус отмечен вертикальной полосой на корпусе!

Практическая сборка на плате	Схема подключения элементов

При включении питания (в виде батареи) диод мигает — не сразу, но быстро. При отключении батареи, светодиод (индикатор) постепенно гаснет. Этот эффект связан с пропускной способностью нашей цепи. На первом этапе заряжается конденсатор, а на втором отдает свою энергию светодиоду. Правильная работа цепи показана на анимации ниже:

Работа конденсатора в цепи

Проверьте, как ведет себя система при очень быстром подключении и отключении аккумулятора. Диод будет постоянно гореть. Итак … конденсаторные фильтры снижают напряжение на входе в систему!

Подключение конденсаторов

Конденсаторы, как и резисторы, можно подключать последовательно и параллельно. Однако эффекты от этих комбинаций противоположны!

Последовательно соединяют только конденсаторы с емкостью меньше, чем у самого маленького используемого элемента. А конденсаторы с емкостью, большей, чем самая большая из используемых, соединяют параллельно. Формулы для расчета полученных значений несложны, но их стоит иметь под рукой.

Подключение конденсаторов параллельно (слева) и последовательно (справа)

Здесь также следует обращать внимание на количество конденсаторов и стандартизировать их, прежде чем подставлять их в формулу! Стоит помнить о таких возможностях подключения конденсаторов, но на практике это применяется нечасто.

Теперь вы можете попробовать протестировать предыдущую схему, вставив на плату параллельно подключенные конденсаторы:

Пример параллельного подключения конденсаторов

Кстати, некоторые более дорогие мультиметры имеют функцию измерения емкости конденсаторов. Измеряемый конденсатор необходимо предварительно разрядить, путем короткого замыкания его выводов, иначе тестер может выйти из строя! Но, откровенно говоря, с практической точки зрения, эта функция используется очень редко, так что … не придется сожалеть о том, что ее нет.

Использование конденсаторов

Что касается цифровых технологий, конденсаторы в основном используются для фильтрации мощности. Цифровые схемы (включая микроконтроллеры) чувствительны к помехам, которые могут вызвать их неисправность (например, зависание). Следовательно, питание каждой цифровой схемы должно фильтроваться (например, керамическими конденсаторами 100 нФ).

Фильтрация заключается в подключении конденсаторов между линией питания и землей.

Конденсаторы не пропускают постоянный ток (их можно подключать к батарее, не опасаясь короткого замыкания), но они проводят переменный ток. В результате, помехи в виде переменного напряжения, замыкаются на землю.

Электролитические конденсаторы, несмотря на большую емкость, неэффективны для фильтрации сигналов с действительно высокими частотами. Это связано с особенностью, называемой последовательной индуктивностью (об индуктивности позже). С другой стороны, керамические конденсаторы не могут эффективно отфильтровывать низкочастотный шум.

По указанным выше причинам, наиболее эффективным является параллельное соединение обоих типов конденсаторов: электролитических и керамических.

Пример фильтра, состоящего из электролитического и керамического конденсатора

Какие мощности использовать?

Однозначного ответа здесь нет. Чаще всего используются керамические конденсаторы емкостью 100 нФ, но это не критично. С электролитическими конденсаторами дело обстоит иначе, в зависимости от того, где они установлены в цепи. Конденсатор, используемый рядом с микроконтроллером, должен иметь емкость ~ 10–100 мкФ. С другой стороны, фильтрующий блок питания всей цепи может иметь уже несколько сотен микрофарад.

Слишком большая емкость конденсатора (как правило) не причинит вреда.

Конденсаторы фильтра — питание на интегральной схеме

Большой символ в правой части схемы, представляет собой пример микроконтроллера (интегральной схемы). На данный момент вам не нужно вникать в эту информацию. Самое главное, что вы должны знать, это то, что питание на него подается через «фильтр», состоящий из двух конденсаторов.

RC-фильтры

Конденсаторы в сочетании с резисторами образуют RC-фильтры. Однако этот вопрос выходит за рамки материала, рассматриваемого в данной статье. Подробнее о них, мы напишем в следующей статье.

Вывод

Несмотря на простоту эксплуатации, роль конденсаторов в электронике очень велика. Фактически, вы узнаете о преимуществах конденсаторов позже, когда начнете создавать свои схемы, оснащенные микроконтроллерами, моторами и другими элементами. Помните, без правильного количества конденсаторов ничего не будет работать должным образом.

С Уважением, МониторБанк

Рекомендации по применению танталовых чип-конденсаторов

Танталовые оксидно-полупроводниковые конденсаторы чип-конструкции, изготавливаемые АО «Элеконд», разработаны и выпускаются в соответствии с требованиями действующей НТД, что подтверждается тестовыми испытаниями на соответствие действующей НТД. Настоящие рекомендации составлены с учетом требований ТУ, передового мирового опыта, справочных данных и позволяют подобрать режим работы конденсатора в зависимости от коэффициентов, влияющих на интенсивность отказов.

• Температура
• Напряжение

Температура

Температура, при которой работает конденсатор, может в несколько раз снизить интенсивность отказа чип-конденсаторов в процессе наработки. В таблице 1 приведена справочная зависимость температурного коэффициента интенсивности отказов конденсаторов.

Таблица 1

T, °C	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120	130	140	150
KT	0.91	1.1	1.3	1.6	1.8	2.2	2.5	2.8	3.2	3.7	4.1	4.6	5.1	5.6

Также рекомендуется обращать внимание на термический удар при монтаже оксидно-полупроводниковых танталовых чип-конденсаторов, который создает временные механические напряжения в диэлектрике конденсатора, которые могут вызвать его повреждения, это способствует росту в объеме аморфного оксида (диэлектрика), кристаллического оксида, являющегося проводником.

При монтаже чип-конденсаторов рекомендуется:

• 1. 1. Ручной монтаж производить соединением пайкой с температурой жала паяльника от 235°C до 265°C, время пайки не более 4 секунд для каждой контактной площадки. Пайку производить прикладывая первоначально нагрев к контактной площадке, к которой припаивается чип-конденсатор, а не к контактной площадке чип-конденсатора.

  Двукратная пайка недопустима (частные случаи: подлуживание выводов, применение выпаянных чип-конденсаторов).

• 1.2. При пайке (оплавлении паяльной пасты) в конвейерных конвекционных печах, парафазных печах, в печах с инфракрасным нагревом не превышать температуру и время ее воздействия, приведенные в профиле пайки на рис. 1.

Рисунок 1

Профиль пайки в конвейерных печах

t, sec

Условные обозначения:

1 — Температура пайки 205-225°C;

2 — Температура плавления 179-183°C;

3 — Активация флюса 150°C

• 1. 3. При монтаже плат (изделия) не допускать превышение температуры конденсатора выше рабочей температуры, за исключением режима пайки, описанного в п.1.1 и 1.2 данных рекомендаций.
• 1.4. При проектировании, монтаже не рекомендуется размещать конденсаторы непосредственно у тепловыделяющих элементов, не допуская возможный нагрев конденсаторов.

Напряжение

Больший вклад в интенсивность количества отказов вносит напряжение, подаваемое на чип-конденсатор. В таблице 2 приведены справочные значения коэффициента от приложенного напряжения, используемого для расчетного значения интенсивности отказов чип-конденсаторов.

Таблица 2

Uраб/Uном	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1
Kv	1	1	1	1	1	2	15	130	990	5900

• 2. 1. С учетом таблицы 2 график зависимости рекомендуемого, допустимого напряжения, подаваемого на конденсатор, от температуры, будет выглядеть в соответствии с рисунком 2.

Рисунок 2

Зависимость номинального U_ном и допустимого U_t напряжения от температуры

% номинального напряжения

температура,°C

Условные обозначения:

1 — Рекомендуемое прикладываемое напряжение;

2 — Кратковременное пиковое напряжение.

Для защиты диэлектрика конденсатора от скачков напряжения всем полупроводниковым танталовым конденсаторам необходимо активное сопротивление, включенное последовательно к конденсатору, ограничивающее ток. Следует обращать внимание на то, что снижение импеданса схемы, в которую включен конденсатор (конденсаторы), приводит к увеличению вероятности возникновения их повреждений, особенно с повышением температуры. В соответствии со справочными данными, изменение омического коэффициента, применяемого для расчета интенсивности отказов конденсаторов, от сопротивления электрической цепи, включенного последовательно к конденсатору, составляет от K_R= 0. 0 при 3.0 Ом/Вольт до K_R= 1.0 при 0.1 Ом/Вольт.

Если чип-конденсатор применяется с ограничительным резистором 3 Ом на 1 Вольт рабочего напряжения, то рекомендуемое допустимое напряжение U_t соответствует номинальному U_ном, смотри область окрашенную в синий цвет на рисунке 2. Если применение ограничительного резистора невыполнимо, то рекомендуемое допустимое напряжение на конденсаторе U_t, обеспечивающее минимальное значение интенсивности отказов чип-конденсаторов, не должно превышать 0.5 U_ном, смотри область окрашенную в голубой цвет на рисунке 2. При этом может допускаться кратковременное пиковое напряжение до U_ном длительностью 1*10^-6 — 1*10^-3 секунды.

• 2.2. Рекомендуемое допустимое напряжение, обеспечивающее наименьшую интенсивность отказов чип-конденсаторов, включает в себя наличие импульсной/переменой синусоидальной составляющей, численное значение которой не должно превышать 20%. При подаче импульсной/переменой синусоидальной составляющей, необходимо учитывать как частотные, так и температурные зависимости. Характер зависимости рекомендуемой допустимой импульсной/переменой синусоидальной составляющей в диапазоне от 5Гц до 100kГц приведен на рисунке 3.

Рисунок 3

Рекомендуемая допускаемая амплитуда переменной синусоидальной составляющей пульсирующего напряжения Uf в зависимости от допускаемого напряжения U_t обеспечивающая наименьшую интенсивность отказов чип-конденсаторов

U_f/U_t, %

Для конденсаторов на Uном:

1 — 2.5 … 10 В
2 — 16 … 32 В
3 — 40 … 50 В

Снижение рекомендуемого допустимого переменного напряжения U_f / допустимого тока пульсаций I_п и в зависимости от температуры Т приведено на рисунке 4.

Рисунок 4

Типовая зависимость допустимого тока пульсаций I_п и допустимое переменного напряжение U_f от температуры Т

     Uf, Iп     
Uf, Iп (20°C)

• 2. 3. Подача напряжения обратной полярности на чип-конденсатор недопустима, включая измерение характеристик конденсатора на LCR-метре. Положительный вывод со стороны маркировки выделен цветной полосой.

Параллельное / последовательное включение

При применении параллельного / последовательного включения конденсаторов, в связи с присутствием разброса электрических параметров конденсаторов, может возникнуть неравномерное распределение электрической нагрузки по конденсаторам, что приведет к увеличению вероятности отказа перегруженных элементов, необходимо вводить подбор конденсаторов по электрическому сопротивлению (желательно на рабочей частоте).

Входной контроль

При входном контроле электропараметров (С (электрической емкости), D (тангенса угла диэлектрических потерь), R (активной части сопротивления), Z (полного сопротивления)) чип-конденсаторов рекомендуется применение LCR-метров, обеспечивающих подачу на конденсаторы постоянного напряжение смещения 2В. Частота измерительного сигнала при измерении должна соответствовать ТУ на конденсаторы и требованиям производственной ТД. Для измерения тока утечки может быть применен прибор типа источника-измерителя или специализированный прибор, например, типа «Измеритель токов утечки Chroma 11200». При проведении измерений необходимо применение специализированных контактных приспособлений, обеспечивающих необходимую точность измерения. После измерения необходимо снимать заряд с конденсаторов.

ОШИБКА — 404 — НЕ НАЙДЕНА

• Главная
• ФНОРД

Наши серверные гномы не смогли найти страницу, которую вы ищете.

Похоже, вы неправильно набрали URL-адрес в адресной строке или перешли по старой закладке.

Возможно, некоторые из них могут вас заинтересовать?

USB-кабель OTG — гнездо A — Micro A — 4 дюйма

В наличии CAB-11604

4

Избранное Любимый 9

Список желаний

Разрыв датчика скорости воздуха SparkFun — FS3000-1005 (Qwiic)

В наличии SEN-18377

59,95 $

1

Избранное Любимый 10

Список желаний

МИКРОЭ Weather Click

Остался только 1! SEN-18823

21,95 $

Избранное Любимый 0

Список желаний

Nomad 3 — Настольный фрезерный станок с ЧПУ (бамбук)

В наличии ТОЛ-19735

2 800,00 $

Избранное Любимый 1

Список желаний

Знакомство с комплектом машинного обучения для дома

14 апреля 2021 г.

Мы анонсируем новый комплект для линейки NVIDIA Jetson Nano. Сделайте свой дом немного умнее с помощью машинного обучения!

Избранное Любимый 0

Подать заявку на интерактивный комплект оборудования для Arm DevSummit

29 сентября 2021 г.

Команда Arm DevSummit Team организовала практические семинары с использованием интерактивных комплектов оборудования. Arm DevSummit является не только бесплатным виртуальным мероприятием, но и спонсирует ограниченное количество аппаратных комплектов, которые будут отправлены непосредственно участникам для поддержки конкретных семинаров. Количество наборов ограничено — участники должны подать заявку на получение набора.

Избранное Любимый 1

Как работают конденсаторы? — Объясните, что Stuff

org/Person»> Криса Вудфорда. Последнее обновление: 12 октября 2021 г.

Большинство дней смотрите в небо, и вы увидите огромные конденсаторы. парит над твоей головой. Конденсаторы (иногда называемые конденсаторами) энергоаккумулирующие устройства, которые широко используются в телевизорах, радиоприемники и другое электронное оборудование. Настроить радио на станции, сделайте фото со вспышкой на цифровую камеру или пролистайте каналы на вашем HDTV, и вы делаете хорошо использование конденсаторов. конденсаторы, которые дрейфуют по небу, более известны как облака и, хотя они абсолютно гигантские по сравнению с конденсаторами, которые мы используем в электронике они хранят энергию точно так же. Давайте более пристальный взгляд на конденсаторы и как они работают!

Фото: Типичный конденсатор, используемый в электронных схемах. Этот конденсатор называется электролитическим и рассчитан на 4,7 мкФ (4,7 микрофарад). с рабочим напряжением 350 вольт (350 В).

Содержание

1. Что такое конденсатор?
2. Что такое емкость?
3. Как измерить емкость?
4. Почему конденсаторы накапливают энергию?
5. Почему у конденсаторов две пластины?
6. Как облачные конденсаторы вызывают молнии
7. Кто изобрел конденсаторы?
8. Узнать больше

Что такое конденсатор?

Возьмите два электрических проводника (вещи, которые пропускают электричество через них) и разделить их изолятором (материал что не пропускает электричество очень хорошо) и вы делаете конденсатор: что-то, что может накапливать электрическую энергию. Добавление электроэнергии к конденсатору называется зарядка ; высвобождение энергии из конденсатор известен как , разряжающийся .

Фото: Небольшой конденсатор в транзисторной радиосхеме.

Конденсатор немного похож на батарею, но у него другая задача делать. Аккумулятор использует химические вещества для хранения электрической энергии и высвобождения это очень медленно через цепь; иногда (в случае кварца смотреть) это может занять несколько лет. Конденсатор обычно высвобождает это энергия гораздо быстрее — часто за секунды или меньше. Если вы принимаете фото со вспышкой, например, вам нужна ваша камера, чтобы произвести огромная вспышка света за долю секунды. Конденсатор прикреплен к вспышке заряжается в течение нескольких секунд, используя энергию вашего аккумуляторы фотоаппарата. (Для зарядки конденсатора требуется время, и это почему обычно приходится немного подождать.) Как только конденсатор полностью заряжен, он может высвободить всю эту энергию. в одно мгновение через ксеноновую лампу-вспышку. Зап!

Конденсаторы бывают всех форм и размеров, но обычно они одни и те же основные компоненты. Есть два проводника (известные как пластины , в основном по историческим причинам) и между ними находится изолятор их (называемых диэлектрическими ). Две пластины внутри конденсатора подключены к двум электрическим соединения снаружи, называемые терминалами , которые похожи на тонкие металлические ножки, которые можно подключить к электрической цепи.

Фото: Внутри электролитический конденсатор немного похож на рулет. «Плиты» представляют собой два очень тонких листа металла; диэлектрик — маслянистая пластиковая пленка между ними. Все это упаковано в компактный цилиндр и покрыто защитным металлическим корпусом. ВНИМАНИЕ: Открытие конденсаторов может быть опасным. Во-первых, они могут выдерживать очень высокие напряжения. Во-вторых, диэлектрик иногда состоит из токсичных или едких химических веществ, которые могут обжечь вашу кожу.

Произведение: изготовление электролитического конденсатора путем скручивания листов алюминиевой фольги (серого цвета) и диэлектрического материала (в данном случае бумаги или тонкой марли, пропитанной кислотой или другим органическим химикатом). Листы фольги подключаются к клеммам (синие) наверху, поэтому конденсатор можно подключить к цепи. Изображение предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США из патента США 2,089,683: Электрический конденсатор Фрэнка Кларка, General Electric, 10 августа 1937 г.

Вы можете зарядить конденсатор, просто подключив его к электрическая цепь. Когда вы включаете питание, электрический заряд постепенно накапливается на пластинах. Одна пластина получает положительный заряд а другая пластина получает равный и противоположный (отрицательный) заряд. Если вы отключаете питание, конденсатор держит свой заряд (хотя со временем он может медленно утекать). Но если подключить конденсатор ко второй цепи, содержащей что-то вроде электрического двигатель или лампочка-вспышка, заряд будет течь от конденсатора через двигатель или лампу, пока на пластинах не останется ничего.

Хотя у конденсаторов фактически есть только одна функция (хранение заряд), их можно использовать для самых разных целей в электротехнике. схемы. Их можно использовать как устройства для измерения времени (поскольку требуется определенное, предсказуемое количество времени для их зарядки), как фильтры (схемы, пропускающие только определенные сигналы), для сглаживания напряжения в цепях, для настройки (в радиоприемниках и телевизорах) и для множество других целей. Большие суперконденсаторы также могут быть используются вместо батареек.

Что такое емкость?

Количество электроэнергии, которую может хранить конденсатор, зависит от его емкость . Емкость конденсатора немного похожа размер ведра: чем больше ведро, тем больше воды в нем можно хранить; чем больше емкость, тем больше электричества может конденсатор хранить. Есть три способа увеличить емкость конденсатор. Один из них заключается в увеличении размера пластин. Другой — сдвиньте пластины ближе друг к другу. Третий способ – сделать диэлектрик настолько хороший изолятор, насколько это возможно. Использование конденсаторов диэлектрики из различных материалов. В транзисторных радиоприемниках настройка осуществляется большой конденсатор переменной емкости та между его пластинами нет ничего, кроме воздуха. В большинстве электронных схем конденсаторы представляют собой герметичные компоненты с керамическим диэлектриком. таких как слюда и стекло, бумага, пропитанная маслом, или пластмассы, такие как майлар.

Фото: Этот переменный конденсатор прикреплен к основному регулятору настройки в транзисторном радиоприемнике. Когда вы поворачиваете циферблат пальцем, вы поворачиваете ось, проходящую через конденсатор. Это вращает набор тонких металлических пластин, так что они перекрываются в большей или меньшей степени с другим набором пластин, продетым между ними. Степень перекрытия между пластинами изменяет емкость, и это то, что настраивает радио на определенную станцию.

Как измерить емкость?

Емкость конденсатора измеряется в единицах, называемых фарадами (F), названный в честь английского пионера электротехники Майкла Фарадея (1791–1867). Один фарад это огромная емкость так что на практике большинство конденсаторов, с которыми мы сталкиваемся, просто доли фарада — обычно микрофарады (миллионные доли фарада, пишется мкФ), нанофарады (тысячно-миллионные доли фарада, записанные как нФ), и пикофарад (миллионные доли фарада, пишется pF). Суперконденсаторы хранят гораздо большие заряды, иногда исчисляется тысячами фарад.

Почему конденсаторы накапливают энергию?

Если вы находите конденсаторы загадочными и странными, и они не имеют для вас особого смысла, вместо этого попробуйте думать о гравитации. Предположим, вы стоите у подножия нескольких ступеней и вы решаете начать восхождение. Вы должны поднять свое тело против земного притяжения, которая представляет собой притягивающую (притягивающую) силу. Как говорят физики, чтобы подняться, нужно «совершить работу». лестницу (работают против силы тяжести) и используют энергию. Энергия, которую вы используете, не теряется, но хранится в вашем теле в виде гравитационной потенциальной энергии, которую вы могли бы использовать для других целей (например, спускаясь с горки обратно на уровень земли).

То, что вы делаете, когда карабкаетесь по ступенькам, лестницам, горам или чему-то еще, работает против Земли. гравитационное поле. Очень похожее происходит в конденсаторе. Если у вас положительный электрический заряд и отрицательный электрический заряд, они притягиваются друг к другу как противоположные полюса двух магнитов — или как ваше тело и Земля. Если вы разъедините их, вам придется «делать работу» против этого электростатического заряда. сила. Опять же, как и при подъеме по ступенькам, энергия, которую вы используете, не теряется, а накапливается зарядами по мере их подъема. отдельный. На этот раз он называется электрическая потенциальная энергия . А это, если вы не догадались к настоящему времени — это энергия, которую хранит конденсатор. Две его пластины имеют противоположные заряды и разделение между ними создает электрическое поле. Вот почему конденсатор накапливает энергию.

Работа: разделение положительных и отрицательных зарядов сохраняет энергию. Это основное Принцип работы конденсатора.

Почему у конденсаторов две пластины?

Фото: Очень необычный регулируемый конденсатор с плоскими пластинами, который Эдвард Беннет Роза и Ной Эрнест Дорси из Национального бюро стандартов (NBS) использовали для измерения скорости света в 1907. Точное расстояние между пластины можно было регулировать (и измерять) с помощью микрометрического винта. Фото предоставлено Цифровыми коллекциями Национального института стандартов и технологий, Гейтерсбург, Мэриленд, 20899.

Как мы уже видели, конденсаторы имеют две проводящие пластины. разделены изолятором. Чем больше тарелки, тем ближе они и чем лучше изолятор между ними, тем больше заряд конденсатор может хранить. Но почему все это правда? Почему бы и нет конденсаторы просто имеют одну большую пластину? Попробуем найти простой и удовлетворительное объяснение.

Предположим, у вас есть большая металлическая сфера, закрепленная на изолирующем, деревянная подставка. Вы можете хранить определенное количество электрического заряда на сфера; чем он больше (чем больше его радиус), тем больше заряд вы можете хранить, и чем больше заряда вы храните, тем больше потенциал (напряжение) сферы. В конце концов, однако, вы достигнете точка, в которой, если вы добавите хотя бы один дополнительный электрон (т. наименьшая возможная единица заряда), конденсатор перестанет работать. Воздух вокруг него распадется, превратившись из изолятора в проводник: заряд пролетит по воздуху на Землю (землю) или другой соседний проводник как искра — электрический ток — в мини заряд молнии. Максимальное количество заряда, которое вы можете хранить на сфера — это то, что мы подразумеваем под ее емкостью. Напряжение (В), заряд (Q) и емкость связаны очень простым уравнением:

К = Q/V

Таким образом, чем больше заряда вы можете сохранить при заданном напряжении, не вызывая воздух, чтобы сломаться и искрить, тем выше емкость. Если бы ты мог как-то накопить больше заряда на сфере не доходя до точки где вы создали искру, вы бы эффективно увеличили ее емкость. Как вы можете это сделать?

Забудьте о сфере. Предположим, у вас есть плоская металлическая пластина с максимально возможный заряд, хранящийся на нем, и вы обнаружите, что тарелка находится на определенное напряжение. Если вы поднесете вторую такую ​​же тарелку близко к это, вы обнаружите, что можете хранить гораздо больше заряда на первой пластине для одинаковое напряжение. Это потому, что первая пластина создает электрический ток. поле вокруг него, которое «индуцирует» равный и противоположный заряд на второй тарелке. Таким образом, вторая пластина снижает напряжение первой пластины. Теперь мы можем хранить больше заряда на первой пластине. не вызывая искры. Мы можем продолжать делать это, пока не достигнем исходное напряжение. С большим зарядом (Q), сохраненным для точно такой же напряжение (В), уравнение C = Q/V говорит нам, что мы увеличили емкость нашего устройства хранения заряда, добавив вторую пластину, и именно поэтому конденсаторы имеют две пластины, а не одну. На практике дополнительная тарелка составляет огромная разница — какая Вот почему все практические конденсаторы имеют две пластины.

Как увеличить емкость?

Интуитивно понятно, что если увеличить тарелки, можно будет хранить больше заряда (так же, как если вы сделаете шкаф больше, вы сможете набить больше вещи внутри него). Таким образом, увеличивая площадь пластин, также увеличивает емкость. Менее очевидно, если мы уменьшим расстояние между пластинами, что также увеличивает емкость. Это потому что чем короче расстояние между пластинами, тем больше эффект пластины лежат одна на другой. Вторая тарелка, будучи ближе, еще больше снижает потенциал первой пластины, и что увеличивает емкость.

Работа: диэлектрик увеличивает емкость конденсатора за счет уменьшения электрического поле между его пластинами, таким образом уменьшая потенциал (напряжение) каждой пластины. Это означает, что вы можете хранить больше заряд на пластинах при одном и том же напряжении. Электрическое поле в этом конденсаторе направлено от положительной пластины слева к отрицательной пластине справа. Поскольку противоположные заряды притягиваются, полярные молекулы (серые) диэлектрика выстраиваются в противоположную сторону — и это то, что уменьшает поле.

Последнее, что мы можем сделать, чтобы увеличить емкость, это заменить диэлектрик (материал между пластинами). Воздух работает довольно хорошо, но другие материалы еще лучше. Стекло как минимум в 5 раз больше эффективнее воздуха, поэтому первые конденсаторы (лейденские банки, используя обычное стекло в качестве диэлектрика) работал так хорошо, но он тяжелый, непрактичный, и его трудно втиснуть в маленькое пространство. Вощеный бумага примерно в 4 раза лучше воздуха, очень тонкая, дешевая, легкая в обработке. делать большими кусками и легко раскатывать, что делает его превосходным, практичный диэлектрик. Лучшие диэлектрические материалы сделаны из полярных молекулы (с большим положительным электрическим зарядом на одной стороне и больше отрицательного электрического заряда на другом). Когда они сидят в электрическое поле между двумя пластинами конденсатора, они выстраиваются в линию с их заряды, направленные противоположно полю, что эффективно уменьшает его. Что снижает потенциал на пластинах и по-прежнему увеличивает их емкость. Теоретически вода, состоящая из действительно крошечных полярные молекулы, могли бы стать отличным диэлектриком, примерно в 80 раз лучше воздуха. На практике, однако, это не так хорошо (течет и высыхает и превращается из жидкости в лед или пар при относительно скромные температуры), поэтому он не используется в реальных конденсаторах.

Таблица: Различные материалы являются лучшими или худшими диэлектриками в зависимости от того, насколько хорошо они изолируют пространство между пластинами конденсатора и уменьшают электрическое поле между ними. Измерение, называемое относительной диэлектрической проницаемостью, говорит нам, насколько хорошим диэлектриком будет что-либо. Вакуум является наихудшим диэлектриком, и его относительная диэлектрическая проницаемость равна 1. Другие диэлектрики измеряются относительно (путем их сравнения) с вакуумом. Воздух примерно такой же. Бумага примерно в 3 раза лучше. Спирт и вода, молекулы которых полярны, являются особенно хорошими диэлектриками.

Кто изобрел конденсаторы?

Вот краткая история ключевых моментов в истории конденсаторов:

Узнайте больше

На этом сайте

• Электричество
• Электроника
• Резисторы
• Суперконденсаторы
• Транзисторы

На других сайтах

• MagLab: Учебное пособие по конденсаторам: интерактивная страница Java, на которой можно поэкспериментировать с использованием конденсаторов в простой схеме двигателя. Из этого вы можете видеть, чем конденсатор отличается от батареи: в то время как батарея вырабатывает электрическую энергию из хранимых химических веществ, конденсатор просто хранит электрическую энергию в течение ограниченного времени (он не производит никакой энергии).
Конденсатор из алюминиевой фольги
• от jwmiller, Intructables. Хотите знать, как работает конденсатор? Попробуйте сделать из кухонной фольги сами!

Книги для читателей постарше

• Конденсаторы Р. П. Дешпанде. McGraw-Hill Education, 2014. Очень подробный справочник, который знакомит с наукой о емкости, рассматривает различные типы конденсаторов и рассматривает типичные области применения.
• Конденсаторы: теория, типы и применение Александра Л. Шульца. Nova Science, 2010. Хороший краткий обзор.
• Электрические силовые конденсаторы от D.M. Тагаре. Tata McGraw-Hill Education, 2001. Вводит понятие конденсатора, описывает различные типы, объясняет конструкцию и производство конденсаторов, а также рассматривает, как конденсаторы будут развиваться в будущем.

Книги для юных читателей

• Марка: Electronics by Charles Platt. Maker Media, 2015. «Эксперимент 9: время и конденсаторы» (стр. 75 печатной книги) знакомит нас с конденсаторами и тем, как мы можем использовать их в схемах синхронизации.
• Электронные гаджеты для злого гения Роберта Э. Яннини. McGraw-Hill Professional, 2014. Множество достаточно простых практических электронных проектов, подходящих для подростков и взрослых. Довольно многие из них используют конденсаторы для синхронизации или простого накопления энергии. Угощения включают «Сверлильный станок с разрядом конденсатора и тестер диэлектрика» и «Взрыв конденсатора», а также есть связанные проекты по обнаружению электрических полей, тестированию клеток Фарадея и многому другому.

Видео

• MAKE представляет: The Capacitor: отличный небольшой 8-минутный видеоролик о конденсаторах от Колина Каннингема из MAKE.
• Конденсаторы: электроника от А до Я: 5-минутное анимационное введение в историю конденсаторов.

Статьи

Общие сведения

• Вперед, соедините катушку индуктивности и конденсатор и посмотрите, что получится, Ретт Аллен, Wired, 11 мая 2016 г. Аккуратное введение в LC (индуктор-конденсатор) и LRC (индуктор-резистор-конденсатор) ) схемы и что они могут сделать для вас.
• How Atoms Dance in Dielectrics Дуглас Маккормик, IEEE Spectrum, 5 октября 2015 г. Как структура диэлектрика определяет его емкость?
• Можно ли подключить телефон к конденсатору? Ретт Аллен, Wired, 23 мая 2013 г. Если конденсаторы могут накапливать заряд, могут ли они питать что-то вроде мобильного телефона? Насколько большим должен быть конденсатор для питания телефона?
• Leaking Capacitors Muck up Motherboards Сэмюэл К. Мур и Ю-Цу Чиу, IEEE Spectrum, 1 февраля 2003 г. Что происходит, когда на печатных платах выходят из-под контроля конденсаторы с плохим электролитом?

Исторический

• Эти две статьи дают хорошее представление о том, как конденсаторы были изобретены в 18 веке и как они развивались с тех пор: History of the Capacitor—The Pioneering Years by Steven Dufresne, Hackaday, 12 июля 2016 г. и История конденсатора — современная эра, Стивен Дюфресн, Hackaday, 26 июля 2016 г.
• Кто изобрел первую батарею конденсаторов («батарея» из лейденских банок)? Это сложно, Адам Аллерханд, Proceedings of the IEEE, Volume 106, Issue 3, March 2018.

Патенты

Для получения более подробной технической информации попробуйте просмотреть некоторые из них.