Site Loader

Содержание

Что такое конденсатор и для чего он нужен

Конденсатор – это устройство, способное накапливать электрический заряд.

Такую же функцию выполняет и аккумуляторная батарея, но в отличие от неё конденсатор может моментально отдать весь накопленный заряд.

Количество заряда, которое способен накопить конденсатор, называют «емкостью». Эта величина измеряется в фарадах.

Содержание статьи

Принцип работы конденсаторов

При подсоединении цепи к источнику электрического тока через конденсатор начинает течь электрический ток. В начале прохождения тока через конденсатор его сила имеет максимальное значение, а напряжение – минимальное. По мере накопления устройством заряда сила тока падает до полного исчезновения, а напряжение увеличивается.

В процессе накопления заряда электроны скапливаются на одной пластинке, а положительные ионы – на другой. Между пластинами заряд не перетекает из-за присутствия диэлектрика. Так устройство накапливает заряд. Это явление называется накоплением электрических зарядов, а конденсатор –накопителем электрического поля.

Устройство конденсаторов

Конструкции современных конденсаторов отличаются разнообразием, но можно выделить несколько типичных вариантов:

Пакетная конструкция

Используется в стеклоэмалевых, керамических и стеклокерамических конденсаторах. Пакеты образованы чередующимися слоями обкладок и диэлектрика. Обкладки могут изготавливаться из фольги, а могут представлять собой слои на диэлектрических пластинах – напыленный или нанесенный вжиганием.

Каждый пакетный конденсатор имеет верхнюю и нижнюю обкладки, имеющие контакты с торцов пакета. Выводы изготавливаются из проволоки или ленточных полосок. Пакет опрессовывается, герметизируется, покрывается защитной эмалью.

Трубчатая конструкция

Такую конструкцию могут иметь высокочастотные конденсаторы. Они представляют собой керамическую трубку с толщиной стенки 0,25 мм. На ее наружную и внутреннюю стороны способом вжигания наносится серебряный проводящий слой. Снаружи деталь обрабатывается изоляционным веществом. Внутреннюю обкладку выводят на наружный слой для присоединения к ней гибкого вывода.

Дисковая конструкция

Эта конструкция, как и трубчатая, применяется при изготовлении высокочастотных конденсаторов.

Диэлектриком в дисковых конденсаторах является керамический диск. На него вжигают серебряные обкладки, к которым подсоединены гибкие выводы.

Литая секционированная конструкция

Применяется в монолитных многослойных керамических конденсаторах, используемых в современной аппаратуре, в том числе с интегральными микросхемами. Деталь, имеющая 2 паза, изготавливается литьем керамики. Пазы заполняют серебряной пастой, которую закрепляют методом вживания. К серебряным вставкам припаивают гибкие выводы.

Рулонная конструкция

Характерна для бумажных пленочных низкочастотных конденсаторов с большой емкостью. Бумажная лента и металлическая фольга сворачиваются в рулон. В металлобумажных конденсаторах на бумажную ленту наносят металлический слой толщиной до 1 мкм.

Где используются конденсаторы

Конденсаторы применяются практически во всех современных устройствах: сабвуферах, электродвигателях, автомобилях, насосах, электроинструменте, кондиционерах, холодильниках, мобильных телефонах и т.п.

В зависимости от выполняемых функций их разделяют на общего назначения и узкоспециальные.

К конденсаторам общего назначения относятся низковольтные накопители, которые используются в большинстве видов электроаппаратуры.

К узкоспециализированным относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические ипусковые конденсаторы.

Поведение конденсатора в цепях постоянного и переменного тока

В цепях постоянного тока заряженный конденсатор образует разрыв, мешающий протеканию тока. Если напряжение приложить к обкладкам разряженной детали, то ток потечет. При этом конденсатор будет заряжаться, сила тока падать, напряжение на обкладках повышаться. При достижении равенства напряжения на обкладках и источника электропитания течение тока прекращается.

При постоянном напряжении конденсатор удерживает заряд при включенном питании. После выключения заряд сбрасывается через нагрузки, присутствующие в цепи.

Переменный ток заряженный конденсатор тоже не пропускает. Но за один период синусоиды дважды происходит зарядка и разрядка накопителя, поэтому ток получает возможность протекать через конденсаторв периодего разрядки.

Виды и классификация конденсаторов

Конденсаторы различных типов приспособлены к разным условиям работы, направлены на выполнение определенных задач и обладают различными побочными эффектами.

Основной признак, по которому классифицируют конденсатор, – это вид диэлектрика. Именно диэлектрический материал определяет многие характеристики конденсатора.

Электролитические конденсаторы

В электролитических конденсаторах анодом служит металлическая пластина, диэлектриком – оксидная пленка, а катодом – твердый, жидкий или гелеобразный электролит. Наличие гелеобразного электролита делает устройство полярным, то есть ток через него может протекать только в одном направлении. Представители этого семейства – алюминиевые и танталовые конденсаторы.

Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют емкость от 0,1 до нескольких тысяч мкФ. Обычно они применяются на звуковых частотах. Электрохимическая ячейка плотно упакована, что обеспечивает большую эффективную индуктивность, которая не позволяет использовать алюминиевые накопители на сверхвысоких частотах.

В танталовых конденсаторах катод изготавливается из диоксида марганца. Сочетание значительной площади поверхности анода и диэлектрических характеристик оксида тантала обеспечивает высокую удельную емкость (емкость в единице объема или массы диэлектрика). Это значит, что танталовые конденсаторы гораздо компактнее алюминиевых такой же емкости.

У танталовых конденсаторов есть свои недостатки. Устройства ранних поколений грешат отказами, возможны возгорания. Они могут произойти при подаче слишком высокого пускового тока, который меняет структурное состояние диэлектрика. Дело в том, что оксид тантала в аморфном состоянии является хорошим диэлектриком. При подаче большого пускового тока оксид тантала из аморфного состояния переходит в кристаллическое и превращается в проводник. Кристаллический оксид тантала еще больше увеличивает силу тока, что и приводит к возгоранию. Современные танталовые конденсаторы производятся по передовым технологиям и практически не дают отказов, не вздуваются, не возгораются.

Пленочные и металлопленочные конденсаторы

Пленочные конденсаторы имеют диэлектрический слой из полимерной пленки, расположенный между слоями металлофольги.

Такие устройства имеют небольшую емкость (от 100 пФ до нескольких мкФ), но могут работать при высоких напряжениях – до 1000 В.

Существует целое семейство пленочных конденсаторов, но для всех видов характерны небольшие емкость и индуктивность. Благодаря малой индуктивности, эти приборы используются в высокочастотных схемах.

Основные различия между конденсаторами с разными типами пленок:

  • Конденсаторы с диэлектриком в виде полипропиленовой пленки применяются в цепях, в которых предъявляются высокие требования к температурной и частотной стабильности. Они подходят для систем питания, подавления ЭМП.
  • Конденсаторы с диэлектриком в виде полиэстеровой пленки обладают низкой стоимостью и способны выдерживать высокие температуры при пайке. Частотная стабильность, по сравнению с полипропиленовыми видами, ниже.
  • Конденсаторы с диэлектриком из поликарбонатной и полистиреновой пленки, которые использовались в старых схемах, сегодня уже неактуальны.

Керамические конденсаторы

В керамических конденсаторах в качестве диэлектрика используются керамические пластины.

Керамические конденсаторы отличаются небольшой емкостью – от одного пФ до нескольких десятков мкФ.

Керамика имеет пьезоэлектрический эффект (способность диэлектрика поляризоваться под воздействием механических усилий), поэтому некоторые виды этих конденсаторов обладают микрофонным эффектом. Это нежелательное явление, при котором часть электроцепи воспринимает вибрации, как микрофон, что становится причиной помех.

Бумажные и металлобумажные конденсаторы

В качестве диэлектрика в этих конденсаторах используется бумага, часто промасленная. Устройства с промасленной бумагой отличаются большими размерами. Модели с непромасленной бумагой более компактны, но они имеют существенный недостаток – увеличивают энергопотери под воздействием влаги даже в герметичной упаковке. В последнее время эти детали используются редко.

Подробнее о видах и аналогах конденсаторов

Основные параметры конденсаторов

Емкость

Этот показатель характеризует способность конденсатора накапливать электрический заряд. Емкость тем больше, чем больше площадь проводниковых обкладок и чем меньше толщина диэлектрического слоя. Также эта характеристика зависит от материала диэлектрика. На приборе указывается номинальная емкость. Реальная емкость, в зависимости от эксплуатационных условий, может отличаться от номинальной в значительных пределах. Стандартные варианты номинальной емкости – от единиц пикофарад до нескольких тысяч микрофарад. Некоторые модели могут иметь емкость в несколько десятков фарад.

Классические конденсаторы имеют положительную емкость, то есть чем больше приложенное напряжение, тем больше накопленный заряд. Но сегодня в стадии разработки находятся устройства с уникальными свойствами, которые ученые называют «антиконденсаторами». Они обладают отрицательной емкостью, то есть с ростом напряжения их заряд уменьшается, и наоборот. Внедрение таких антиконденсаторов в электронную промышленность позволит ускорить работу компьютеров и снизить риск их перегрева.

Что будет, если поставить накопитель большей/меньшей емкости, по сравнению с требуемой? Если речь идет о сглаживании пульсаций напряжения в блоках питания, то установка конденсатора с емкостью, превышающей нужную величину (в разумных пределах – до 90% от номинала), в большинстве случаев улучшает ситуацию. Монтаж конденсатора с меньшей емкостью может ухудшить работу схемы. В других случаях возможность установки детали с параметрами, отличающимися от заданных, определяют конкретно для каждого случая.

Удельная емкость

Отношение номинальной емкости к объему (или массе) диэлектрика. Чем тоньше диэлектрический слой, тем выше удельная емкость, но тем меньше его напряжение пробоя.

Плотность энергии

Это понятие относится к электролитическим конденсаторам. Максимальная плотность характерна для больших конденсаторов, в которых масса корпуса значительно ниже, чем масса обкладок и электролита.

Номинальное напряжение

Его значение отражается на корпусе и характеризует напряжение, при котором конденсатор работает в течение срока службы с колебанием параметров в заданных пределах. Эксплуатационное напряжение не должно превышать номинальное значение. Для многих конденсаторов с повышением температуры номинальное напряжение снижается.

Полярность

К полярным относятся электролитические конденсаторы, имеющие положительный и отрицательный заряды. На устройствах отечественного производства обычно ставился знак «+» у положительного электрода. На импортных приборах обозначается отрицательный электрод, возле которого стоит знак «-». Такие конденсаторы могут выполнять свои функции только при корректном подключении полярности напряжения. Этот факт объясняется химическими особенностями реакции электролита с диэлектриком.

Что будет, если перепутать полярность конденсатора? Обычно в этом случае приборы выходят из строя. Это происходит из-за химического разрушения диэлектрика, которое вызывает рост силы тока, вскипание электролита и, как следствие, вздутие корпуса и вероятный взрыв.

К группе неполярных конденсаторов относится большинство накопителей заряда. Эти детали обеспечивают корректную работу при любом порядке подключения выводов в цепь.

Паразитные параметры конденсаторов

Конденсаторы, помимо основных характеристик, имеют так называемые «паразитные параметры», которые искажают рабочие свойства колебательного контура. Их необходимо учитывать при проектировании схемы.

К таким параметрам относятся собственное сопротивление и индуктивность, которые разделяются на следующие составляющие:

  • Электрическое сопротивление изоляции (r), которое определяется по формуле: r = U/Iут, в которой U – напряжение источника питания, Iут – ток утечки.
  • Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, англ. ESR). Эта величина зависит от электрического сопротивления материала обкладок, выводов, контактов между ними, потерями в диэлектрическом слое. ЭПС возрастает с ростом частоты тока, подаваемого на накопитель. В большинстве случаев эта характеристика не принципиальна. Исключение составляют электролитические накопители, устанавливаемые в фильтрах импульсных блоков питания.
  • Эквивалентная последовательная индуктивность – L. На низких частотах этот параметр, обусловленный собственной индуктивностью обкладок и выводов, не учитывается.

К паразитным параметрам также относится Vloss – незначительная величина, выражаемая в процентах, которая показывает, насколько падает напряжение сразу после прекращения зарядки конденсатора.

Обозначение конденсаторов на схеме

На чертежах конденсатор с постоянной емкостью обозначают двумя параллельными черточками — обкладками. Их подписывают буквой «C». Рядом с буквой ставят порядковый номер элемента на схеме и значение емкости в пФ или мкФ.

В конденсаторах переменной емкости параллельные черточки перечеркиваются диагональной чертой со стрелкой. Подстроечные модели обозначаются двумя параллельными линиями, перечеркнутыми диагональной чертой с черточкой на конце. На обозначении полярных конденсаторов указывается положительно заряженная обкладка.

Обозначение по ГОСТ 2.728-74 Описание
Конденсатор постоянной ёмкости
Поляризованный (полярный) конденсатор
Подстроечный конденсатор переменной ёмкости
Варикап

Особенности соединения нескольких конденсаторов в цепи

Соединение нескольких конденсаторов между собой может быть последовательным или параллельным.

Последовательное

Последовательное соединение позволяет подавать на обкладки большее напряжение, чем на отдельно стоящую деталь. Напряжение распределяется в зависимости от емкости каждого накопителя. Если емкости деталей равны, то напряжение распределяется поровну.

Получаемая емкость в такой цепи находится по формуле:

Собщ = 1/(1/С1+1/С2…+1/Сn)

Если провести вычисления, то станет понятно, что увеличение напряжения в цепи достигается существенным падением емкости. Например, если в цепь подсоединить последовательно два конденсатора емкостью 10 мкФ, то общая емкость будет равна всего 5 мкФ.

Параллельное

Это наиболее распространенный на практике способ, позволяющий увеличить общую емкость в схеме. Параллельное соединение позволяет создать один большой конденсатор с суммарной площадью проводящих пластин. Общая емкость системы представляет собой сумму емкостей соединенных деталей.

С общ = С1+С2+…+Сn

Напряжение на всех элементах будет одинаковым.

Маркировка конденсаторов

В маркировке конденсатора, независимо от его типа, присутствуют два обязательных параметра – емкость и номинальное напряжение. Наиболее распространена цифровая маркировка, указывающая величину сопротивления. В ней используется три или четыре цифры.

Кратко суть трехфциферной маркировки: первые две цифры, находящиеся слева, указывают значение емкости в пикофарадах. Самая правая цифра показывает, сколько нулей надо прибавить к стоящим слева цифрам. Результат получается в пикофарадах. Пример: 154 = 15х104 пФ. На конденсаторах зарубежного производства пФ обозначаются как mmf.

В кодовом обозначении с четырьмя цифрами емкость в пикофарадах обозначают первые три цифры, а четвертая указывает на количество нулей, которые требуется добавить. Например: 2353=235х103 пФ.

Для обозначения емкости также может применяться буквенно-цифровая маркировка, содержащая букву R, которая указывает место установки десятичной запятой. Например, 0R8=0,8 пФ.

На корпусе значение напряжения указывается числом, после которого ставятся буквы: V, WV (что означает «рабочее напряжение»). Если указание на допустимое напряжение отсутствует, то конденсатор может использоваться только в низковольтных цепях.

Помимо емкости и напряжения, на корпусе могут указываться и другие характеристики детали:

  • Материал диэлектрика. Б – бумага, С – слюда, К – керамика.
  • Степень защиты от внешних воздействий. Г – герметичное исполнение, О – опрессованный корпус.
  • Конструкция. М – монолит, Б – бочонок, Д – диск, С – секционный вариант.
  • Режим по току. И – импульсный, У – универсальный, Ч – только постоянный ток, П – переменный/постоянный.

Как проверить работоспособность конденсатора

Для проверки конденсатора на работоспособность используют мультиметр. Прежде чем проверить накопитель, необходимо определить, какой именно прибор находится в схеме – полярный (электролитический) или неполярный.

Проверка полярного конденсатора

При проверке полярного конденсатора необходимо соблюдать правильную полярность подключения щупов: плюсовой должен быть прижат к плюсовой ножке, минусовой – к минусу. Если вы перепутаете полярность, конденсатор выйдет из строя.

После выпайки детали ее кладут на свободное пространство. Мультиметр включают в режим измерения сопротивления («прозвонки»).

Щупами дотрагиваются до выводов прибора с соблюдением полярности. Правильная ситуация, когда на дисплее появляется первое значение, которое начинает постепенно расти. Максимальное значение, которое должно быть достигнуто для исправного устройства, – 1. Если вы только прикоснулись щупами к выводам, а на экране появилась сразу цифра 1, значит, прибор неисправен. Появление на экране «0» означает, что внутри детали произошло короткое замыкание.

Проверка неполярного конденсатора

В этом случае проверка предельно простая. Диапазон измерений выставляют на отметку 2 МОм. Щупы присоединяют к выводам конденсатора в любом порядке. Полученное значение должно превышать двойку. Если на дисплее высвечивается значение менее 2 МОм, то деталь неисправна.

Как зарядить и разрядить конденсатор

Для зарядки накопителя его подсоединяют к источнику постоянного тока. Зарядка прекращается, когда напряжение источника питания сравнивается по величине с напряжением на обкладках.

Разрядка конденсатора может понадобиться для безопасной разборки бытовых приборов и электронных устройств. Накопители электронных устройств разряжают с помощью обычной диэлектрической отвертки. Для разрядки крупных накопителей, которые устанавливаются в бытовых приборах, необходимо собрать специальное разрядное устройство.


Была ли статья полезна?

Да

Нет

Оцените статью

Что вам не понравилось?


Другие материалы по теме


Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.


Для чего нужны конденсаторы в схемах. Зачем нужны конденсаторы? Подключение конденсатора

Конденсатор представляет собой устройство, способное накапливать электрические заряды. Простейшим конденсатором являются две металлические пластины (электроды), разделенные каким-либо диэлектриком. Конденсатор 2 можно зарядить, если соединить его электроды с источником 1 электрической энергии постоянного тока (рис. 181, а).

При заряде конденсатора свободные электроны, имеющиеся на одном из его электродов, устремляются к положительному полюсу источника, вследствие чего этот электрод становится положительно заряженным. Электроны с отрицательного полюса источника устремляются ко второму электроду и создают на нем избыток электронов, поэтому он становится отрицательно заряженным. В результате протекания зарядного тока i3 на обоих электродах конденсатора образуются равные, но противоположные по знаку заряды и между ними возникает электрическое поле, создающее между электродами конденсатора определенную разность потенциалов. Когда эта разность потенциалов станет равной напряжению источника тока, движение электронов в цепи конденсатора, т. е. прохождение по ней тока i3 прекращается. Этот момент соответствует окончанию процесса заряда конденсатора.

При отключении от источника (рис. 181,б) конденсатор способен длительное время сохранять накопленные электрические заряды. Заряженный конденсатор является источником электрической энергии, имеющим некоторую э. д. с. ес. Если соединить электроды заряженного конденсатора каким-либо проводником (рис. 181, в), то конденсатор начнет разряжаться. При этом по цепи пойдет ток iр разряда конденсатора. Начнет уменьшаться и разность потенциалов между электродами, т. е. конденсатор будет отдавать накопленную электрическую энергию во внешнюю цепь. В тот момент, когда количество свободных электронов на каждом электроде конденсатора станет одинаковым, электрическое поле между электродами исчезнет и ток станет равным нулю. Это означает, что произошел полный разряд конденсатора, т. е. он отдал накопленную им электрическую энергию.

Емкость конденсатора. Свойство конденсатора накапливать и удерживать электрические заряды характеризуется его емкостью. Чем больше емкость конденсатора, тем больше накопленный им заряд, так же как с увеличением вместимости сосуда или газового баллона увеличивается объем жидкости или газа в нем.

Емкость С конденсатора определяется как отношение заряда q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов между его электродами (приложенному напряжению)U:

C = q / U (69)

Емкость конденсатора измеряется в фарадах (Ф). Емкостью в 1 Ф обладает конденсатор, у которого при сообщении заряда

в 1 Кл разность потенциалов возрастает на 1 В. В практике преимущественно пользуются более мелкими единицами: микрофарадой (1 мкФ=10 -6 Ф), пикофарадой (1 пФ = 10 -12 мкФ).

Емкость конденсатора зависит от формы и размеров его электродов, их взаимного расположения и свойств диэлектрика, разделяющего электроды. Различают плоские конденсаторы, электродами которых служат плоские параллельные пластины (рис. 182, а), и цилиндрические (рис. 182,б).

Свойствами конденсатора обладают не только специально изготовленные на заводе устройства, но и любые два проводника, разделенные диэлектриком. Емкость их оказывает существенное влияние на работу электротехнических установок при переменном токе. Например, конденсаторами с определенной емкостью являются два электрических провода, провод и земля (рис. 183, а), жилы электрического кабеля, жилы и металлическая оболочка кабеля (рис. 183,6).

Устройство конденсаторов и их применение в технике. В зависимости от применяемого диэлектрика конденсаторы бывают бумажными, слюдяными, воздушными (рис. 184). Используя в качестве диэлектрика вместо воздуха слюду, бумагу, керамику и другие материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, удается при тех же размерах конденсатора увеличить в несколько раз его емкость. Для того чтобы увеличить площади электродов конденсатора, его делают обычно многослойным.

В электротехнических установках переменного тока обычно применяют силовые конденсаторы. В них электродами служат длинные полосы из алюминиевой, свинцовой или медной фольги, разделенные несколькими слоями специальной (конденсаторной) бумаги, пропитанной нефтяными маслами или синтетическими пропитывающими жидкостями. Ленты фольги 2 и бумаги 1 сматывают в рулоны (рис. 185), сушат, пропитывают парафином и помещают в виде одной или нескольких секций в металлический или картонный корпус. Необходимое рабочее напряжение конденсатора обеспечивается последовательным, параллельным или последовательно-параллельным соединениями отдельных секций.

Всякий конденсатор характеризуется не только значением емкости, но и значением напряжения, которое выдерживает его диэлектрик. При слишком больших напряжениях электроны диэлектрика отрываются от атомов, диэлектрик начинает проводить ток и металлические электроды конденсатора замыкаются накоротко (конденсатор пробивается). Напряжение, при котором это происходит, называют пробивным. Напряжение, при котором конденсатор может надежно работать неограниченно долгое время, называют рабочим. Оно в несколько раз меньше пробивного.

Конденсаторы широко применяют в системах энергоснабжения промышленных предприятий и электрифицированных железных дорог для улучшения использования электрической энергии при переменном токе. На э. п. с. и тепловозах конденсаторы используют для сглаживания пульсирующего тока, получаемого от выпрямителей и импульсных прерывателей, борьбы с искрением контактов электрических аппаратов и с радиопомехами, в системах управления полупроводниковыми преобразователями, а также для созда-

ния симметричного трехфазного напряжения, требуемого для питания электродвигателей вспомогательных машин. В радиотехнике конденсаторы служат для создания высокочастотных электромагнитных колебаний, разделения электрических цепей постоянного и переменного тока и др.

В цепях постоянного тока часто устанавливают электролитические конденсаторы. Их изготовляют из двух скатанных в рулон тонких алюминиевых лент 3 и 5 (рис. 185,б), между которыми проложена бумага 4, пропитанная специальным электролитом (раствор борной кислоты с аммиаком в глицерине). Алюминиевую ленту 3 покрывают тонкой пленкой окиси алюминия; эта пленка образует диэлектрик, обладающий высокой диэлектрической проницаемостью. Электродами конденсатора служат лента 3, покрытая окисной пленкой, и электролит; вторая лента 5 предназначена лишь для создания электрического контакта с электролитом. Конденсатор помещают в цилиндрический алюминиевый корпус.

При включении электролитического конденсатора в цепь постоянного тока необходимо строго соблюдать полярность его полюсов; электрод, покрытый окисной пленкой, должен быть соединен с положительным полюсом источника тока. При неправильном включении диэлектрик пробивается. По этой причине электролитические конденсаторы нельзя включать в цепи переменного тока. Их нельзя также использовать в устройствах, работающих при высоких напряжениях, так как окисная пленка имеет сравнительно небольшую электрическую прочность.

В радиотехнических устройствах применяют также конденсаторы переменной емкости (рис. 186). Такой конденсатор состоит из двух групп пластин: неподвижных 2 и подвижных 3, разделенных воздушными промежутками. Подвижные пластины могут перемещаться относительно неподвижных; при повороте оси 1 конденсатора изменяется площадь взаимного перекрытия пластин, а следовательно, и емкость конденсатора.

Способы соединения конденсаторов . Конденсаторы можно соединять последовательно и параллельно. При последовательном

соединении нескольких (например, трех), конденсаторов (рис. 187, а) эквивалентная емкость

1 /C эк = 1 /C 1 + 1 /C 2 + 1 /C 3

эквивалентное емкостное сопротивление

X C эк = X C 1 + X C 2 + X C 3

результирующее емкостное сопротивление

C эк = C 1 + C 2 + C 3

При параллельном соединении конденсаторов (рис. 187,б) их результирующая емкость

1 /X C эк = 1 /X C 1 + 1 /X C 2 + 1 /X C 3

Включение и отключение цепей постоянного тока с конденсатором. При подключении цепи R-C к источнику постоянного тока и при разряде конденсатора на резистор также возникает переходный процесс с апериодическим изменением тока i и напряжения u c При подключении к источнику постоянного тока цепи R-C выключателем В1 (рис. 188,а) происходит заряд конденсатора. В начальный момент зарядный ток I нач =U /R. Но по мере накопления зарядов на электродах конденсатора напряжение его и с будет возрастать, а ток уменьшаться (рис. 188,б). Если сопротивление R мало, то в начальный момент подключения конденсатора возникает большой екачок тока, значительно превышающий номинальный ток данной цепи. При разряде конденсатора на резистор R (размыкается выключатель В1 на рис. 189, а) напряжение на конденсаторе u с и ток i постепенно уменьшаются до нуля (рис. 189,б).

Скорость изменения тока i и напряжения ис при переходном процессе отделяется постоянной времени

Чем больше R и С, тем медленнее происходит заряд конденсатора.

Процессы заряда и разряда конденсатора широко используют в электронике и автоматике. С помощью их получают периодаческие несинусоидальные колебания, называемые релаксационными , и, в частности, пилообразное напряжение, необходимое для работы систем управления тиристорами, осциллографов и других устройств. Для получения пилообразного напряжения (рис. 190) периодически подключают конденсатор к источнику питания, а затем к разрядному резистору. Периоды Т 1 и T 2 , соответствующие заряду и разряду конденсатора, определяются постоянными времени цепей заряда Т 3 и разряда Т р, т. е. сопротивлениями резисторов, включенных в эти цепи.

Объясняя, что такое конденсатор, мы должны четко представлять физические основы работы и конструкцию этого незаменимого элемента каждого мало-мальски серьезного электронного устройства.

К недостаткам танталовых конденсаторов можно отнести чувствительность к пульсациям тока и перенапряжениям, а также относительную дороговизну этих изделий.

Силовые конденсаторы, как правило, используются в системах высокого напряжения. Они широко применяются для компенсации потерь в линиях электропередач, а также для улучшения коэффициента мощности в промышленных электроустановках. Изготавливаются из высококачественной металлизированной пропиленовой пленки с применением специальной пропитки нетоксичным изоляционным маслом.

Могут иметь функцию самоликвидации внутренних повреждений, что придает им дополнительную надежность и увеличивает срок службы.

Керамические конденсаторы имеют в качестве материала диэлектрика керамику. Отличаются высокой функциональностью по рабочему напряжению, надежностью, низкими потерями и дешевизной.

Диапазон емкостей их варьируется от нескольких пикофарад до примерно 0,1 мкФ. В настоящее время являются одним из наиболее широко используемых типов конденсаторов, используемых в электронном оборудовании.

Серебряные слюдяные конденсаторы пришли на смену широко распространенным ранее слюдяным элементам. Обладают высокой стабильностью, герметичным корпусом и большой емкостью на единицу объема.

Широкому применению серебряно-слюдяных конденсаторов мешает их относительная дороговизна.

У бумажных и металлобумажных конденсаторов обкладки изготовляются из тонкой алюминиевой фольги, а в качестве диэлектрика используется специальная бумага, пропитанная твердым (расплавленным) или жидким диэлектриком. Применяются в низкочастотных цепях радиоустройств при больших токах. Отличаются относительной дешевизной.

Для чего нужен конденсатор

Имеется целый ряд примеров использования конденсаторов в самых разнообразных целях. В частности, их широко применяют для хранения и и цифровых данных. используются в телекоммуникационной связи для регулировки частоты и настройки телекоммуникационного оборудования.

Типичным примером их применения является использование в источниках питания. Там эти элементы выполняют функцию сглаживания (фильтрацию) выпрямленного напряжения на выходе этих устройств. Они также могут быть использованы в для генерации высокого напряжения, многократно превышающего входное напряжение. Конденсаторы широко применяются в различного рода преобразователях напряжения, устройствах бесперебойного питания для компьютерной техники и т.д.

Объясняя, что такое конденсатор, нельзя не сказать, что этот элемент может служить и отличным хранилищем электронов. Однако реально эта функция имеет определенные ограничения по причине неидеальности изоляционных характеристик используемого диэлектрика. Тем не менее конденсатор обладает свойством достаточно длительное время хранить электрическую энергию при отключении от цепи заряда, поэтому он может быть использован как временный источник питания.

Благодаря своим уникальным физическим свойствам эти элементы нашли настолько широкое применение в электронной и электротехнической промышленности, что сегодня редко какое электротехническое изделие не включает в себя по крайней мере один такой компонент для какой-либо цели.

Подводя итоги, можно констатировать, что конденсатор — это бесценная часть огромного множества электронных и электротехнических устройств, без которых был бы немыслим дальнейший прогресс в науке и технике.

Вот что такое конденсатор!

Конденсаторы представляют собой электронные компоненты, используемые для хранения электрического заряда. Конденсаторы могут иметь различную форму, но всегда похожи друг на друга внутри.

Конденсатор, как правило, состоит из двух электропроводящих пластин (электродов), которые изолированы друг от друга диэлектриком.
Величина (емкость) накопленного заряда определяется поверхностью электродов и расстояния между ними. Большая площадь и меньшее расстояние обеспечивает более высокую емкость.

Для расчета емкости мы используем следующее соотношение:

С = e х A / d

  • C = емкость в фарадах
  • A = площадь в м2
  • d = расстояние между электродами
  • е = диэлектрическая проницаемость диэлектрика

Единицей измерения емкости является фарад. Один фарад — это такая емкость, при которой заряд в 1 кулон создает напряжение между обкладками в 1 вольт.

Обозначение конденсатора на схемах:

Для того, чтобы лучше понять взаимосвязь между параметрами конденсатора, рассмотрим следующую упрощенную эквивалентную схему:

  • Rs — последовательное сопротивление выводов и электродов, электролита, а также потери в диэлектрике.
  • Ls — индуктивность выводов и электрод.
  • C – емкость.
  • Rр — сопротивление изоляции в диэлектрике.

Виды конденсаторов

Постоянные конденсаторы

Бумажные конденсаторы (KLMP, KSMP) в большинстве заменены пластиковыми. Несмотря на высокую диэлектрическую проницаемость бумажных конденсаторов они крупнее и дороже, чем пластиковые.

Преимущества бумажных конденсаторов — устойчивость к импульсному напряжению, низкое содержание углерода (приблизительно 3%, для сравнения у пластиковых 40…70%) приводит к хорошему самовосстановлению и небольшой риск возгорания. В настоящее время бумажные конденсаторы используются исключительно для подавления помех.

Конденсаторы полистирольные и полиэфирные (KSF, MKSE, MKSF, MKSP) конденсаторы изготавливаются из металлизированной полиэфирной пленки.

Слюдяные конденсаторы (КСО) многослойные, построены так же, как и керамические конденсаторы, электрод может быть выполнен из серебра. Слюда является минералом, добываемым в шахтах Индии, где его качество особенно высоко.

Этот материал очень твердый и прочный, отличается тем, что он разделяется на тонкие пластины, которые могут быть оснащены электродами.
Электрические свойства, например, сопротивление изоляции, потери и стабильность вполне сопоставимы с лучшими искусственными диэлектриками и керамикой.

Слюдяные конденсаторы, тем не менее, являются относительно крупными и дорогими, в результате чего в значительной степени подлежат замене полипропиленовыми конденсаторами. Слюдяные конденсаторы часто используется в высокочастотных схемах, которые требуют не только низкие потери, но и высокую стабильность частоты и температуры. Они изготавливаются емкостью от 1 пФ и до 0,1 мкФ.

Керамические конденсаторы (KCP, КФП, КЧР, KFR) производятся из одной или нескольких керамических пластин с нанесением металлического напыления (электроды). Керамический конденсатор с одним слоем диэлектрика называется «однослойным». Когда конденсатор состоит из нескольких слоев диэлектрика, его называют многослойный. Керамические конденсаторы изготавливаются емкостью от 0,5 пФ и до нескольких сотен микрофарад. Конденсаторы емкостью больше чем 10 мкФ достаточно редки из-за высокой цены.

Электролитические конденсаторы (KEN, KEO, SME, T, UL, KERMS) имеют алюминиевые или танталовые электроды. Поверхность анода (положительный полюс) покрыт очень тонким слоем оксида, который действует в качестве диэлектрика. Для того чтобы уменьшить расстояние между оксидным слоем и катодом (отрицательный полюс) используют электролит с низким сопротивлением.

Алюминиевые влажные электролитические конденсаторы . Они содержат электролит, состоящий из борной кислоты, этиленгликоля, соли и растворителя. Электроды вытравливаются в кислотной ванне, чтобы получить пористую поверхность. Таким образом, поверхность возрастает до 300 раз.

Танталовые конденсаторы . Они имеют в качестве диэлектрика оксид тантала с превосходными электрическими свойствами. Анод конденсатора выполнен путем спеканием порошка тантала. Около 50% объема состоит из пор, в результате чего внутренняя поверхность в 100 раз больше, чем внешняя.

После нанесения покрытия на слой оксида тантала, образующегося в кислотной ванне, конденсатор погружают в раствор диоксида марганца, заполняющий все поры. Контакт с катодом, который состоит из электропроводной серебряной краски, получается путем покрытия слоем углерода в виде графита.

Переменные конденсаторы

Эти конденсаторы имеют переменную емкость с воздушным диэлектриком (AM, FM) или керамические оборотные конденсаторы.
Воздушный конденсатор выполнен из двух параллельных сборок пластин (ротора и статора), которые изменяют свое положение из-за чего меняется и емкость такого конденсатора.

Параметры конденсаторов

  • Номинальная емкость — значение емкости. Фактическая емкость на практике равна номинальной емкости с учетом допусков связанных с изменением диэлектрической проницаемости диэлектрика вследствие изменения окружающей температуры. Значения допусков зависят от типа диэлектрика.
  • Номинальное напряжение — максимально допустимое напряжение, которое может быть на конденсаторе. Это напряжение, как правило, является суммой постоянного напряжения и пикового значения переменного напряжения.
  • Сопротивление изоляции конденсатора — это электрическое сопротивление конденсатора постоянному току определенного напряжения. Оно характеризует качество диэлектрика и качество его изготовления.

В электронике используется множество различных деталей, которые вместе позволяют осуществлять целый ряд действий. Одной из них является конденсатор. И в рамках статьи будет вестись речь о том, что это за механизм, как работает, для чего нужен конденсатор и что он делает в схемах.

Что называется конденсатором?

Конденсатор — это пассивное электрическое устройство, которое в схемах может выполнять различные задачи благодаря умению копить заряд и энергию электрического поля. Но главный спектр применения — это в фильтрах выпрямителей и стабилизаторов. Так, благодаря конденсаторам осуществляется передача сигнала между усилительными каскадами, задаются временные интервалы для выдержки времени, строят фильтры высоких и низких частот. Благодаря своим свойствам он также используется для подборки частоты в разных генераторах.

Данный вид конденсаторов может похвастаться емкостью, которая составляет несколько сотен микрофарад. По подобному принципу устроены и другие представители семейства этой детали электроники. А как проверить конденсатор и убедиться, что реальное положение дел соответствует надписям? Наиболее простой способ — воспользоваться цифровым мультиметром. Также ответ на вопрос, как проверить конденсатор, может дать омметр.

Принцип действия и для чего нужен конденсатор

Из обозначения и схематического изображения можно сделать заключение, что в качестве простейшего конденсатора могут выступить даже две металлические пластины, расположенные рядом. В качестве диэлектрика при этом справится воздух. Теоретически нет никакого ограничения на площадь пластин и расстояние между ними. Поэтому даже при разводе на огромные расстояния и уменьшении их размера, пускай и незначительная, но какая-то емкость сохраняется.

Такое свойство нашло использование в высокочастотной технике. Так, их научились делать даже в виде обычных дорожек печатного монтажа, а также просто скручивая два провода, которые находятся в полиэтиленовой изоляции. При использовании кабеля емкость конденсатора (мкф) увеличивается вместе с длиной. Но следует понимать, что если передаваемый импульс короткий, а провод длинный, то он может просто не дойти до точки назначения. Может использоваться конденсатор в цепи постоянного и переменного тока.

Накопление энергии

При увеличении емкости конденсатора такие процессы, как заряд и разряд протекают медленно. Напряжение на данном электрическом устройстве растёт по кривой линии, которая в математике называется экспонентой. Со временем напряжение конденсатора увеличится от значения в 0В до уровня источника питания (если не перегорит из-за слишком высоких значений последнего).

Электролитический конденсатор

На данный момент самой большой удельной емкостью при соотношении этого показателя и объема детали могут похвастаться электролитические конденсаторы. Их показатель вместимости достигает значений в 100 тысяч микрофарад, а рабочее напряжение до 600 В. Но работают они хорошо исключительно на низких частотах. Для чего нужен конденсатор такого типа? Основная сфера применения — фильтры Электролитические конденсаторы в схемы всегда включаются с соблюдением полярности. Электроды делают из тонкой пленки (которая сделана из оксида металлов). Так как тонкий слой воздуха между ними не является достаточно хорошим изолятором, то также сюда добавляется слой электролита (в качестве него выступают концентрированные растворы щелочей или кислот).

Суперконденсатор

Это новый класс электролитических конденсаторов, который называют ионисторами. Его свойства делают его похожим на аккумулятор, хотя и накладываются определённые ограничения. Так, их преимущество заключается в коротком времени заряда (обычно несколько минут). Для чего нужен конденсатор такого типа? Ионисторы используются как резервные источники питания. При изготовлении они получаются неполярными, и где плюс, а где минус, определяется первой зарядкой (на заводе-производителе).

Значительное влияние на работоспособность оказывает температура и номинальное напряжение. Так, при 70˚C и 0,8 мощности дадут только 500 часов работы. При уменьшении напряжения до 0,6 от номинала, а температуры до 40 градусов срок его службы увеличится до 40 тысяч часов. Найти ионисторы можно в микросхемах памяти или электронных часах. Но вместе с этим имеют неплохие перспективы их использования в солнечных батареях.

Конденсатор, видимо, есть самый первый прибор, с помощью которого научились достаточно долго удерживать электрические заряды в одном месте.

Если зарядить какой-нибудь диэлектрик трением, например, ту же классическую расческу, потерев ее шерстью, то заряд на ее поверхности останется на некоторое время. Однако ни накопить его, ни как-то использовать не удастся: кроме пары-тройки фокусов с притягиванием к расческе всякого мусора, ничего не выйдет. Металл же зарядить трением вообще невозможно. Все заряды, которые были бы как-то им приняты, на поверхности не удерживаются, а разбегаются сразу по всей массе применяемого металла. Или сбегают с него, благодаря большой площади контакта с воздухом, всегда содержащим влагу, что делает задачу невозможной.

Удалось придумать накопление электричества благодаря свойству притяжения друг к другу зарядов разного знака. Если два листочка из фольги прижать друг к другу, проложив между ними тонкий слой хорошего диэлектрика, то такой сэндвич можно зарядить, прикоснувшись телами, содержащими заряды разного знака, к разным листочкам фольги. Заряды разного знака притягиваются друг к другу и обязательно побегут в фольге навстречу друг другу. Они бы и разрядились, не будь между слоями фольги диэлектрика. И заряды только растекутся каждый по своему листу фольги и, притягиваясь друг к другу, будут находиться в ней достаточно долго.

Вот это и называется конденсатор. Чем больше площадь фольги — тем больше емкость. Чтобы добиться большой площади, фольгу с изолятором сворачивают рулоном — две ленты фольги и две ленты бумаги — и помещают в банку, выводя наружу от каждой ленты по контакту. Снаружи банка запаивается, чтобы предотвратить поступление влаги внутрь. Вездесущая влага же и является причиной, по которой бумажную ленту пропитывают парафином.

а) устройство, б) внешний вид

1 – фольговые обкладки, 2 – внутренние выводы обкладок,
3 – парафинированная бумага, 4 – металлический корпус, 5 – провод

На рисунке изображено, как устроен простейший фольговый автомобильный конденсатор. У него один контакт выведен от одной обкладки наружу проводом, а другим является металлический корпус, внутри присоединенный ко второй обкладке.

Работа конденсатора в электрической цепи

Уже давно мы отошли от понимания электричества в терминах движения, действия зарядов и так далее. Теперь мы мыслим понятиями электрических цепей, где обычными вещами являются напряжения, токи, мощность. И к рассмотрению поведения зарядов прибегаем только, чтобы понять, как работает в цепи какое-нибудь устройство.

Например, конденсатор в простейшей цепи постоянного электрического тока является просто разрывом. Обкладки ведь не соприкасаются друг с другом. Поэтому, чтобы понять принцип действия конденсатора в цепи, придется все-таки вернуться к поведению зарядов.

Зарядка конденсатора

Соберем простую электрическую цепь, состоящую из аккумулятора, конденсатора, резистора и переключателя.

ε c – ЭДС аккумулятора, C – конденсатор, R – резистор, K – переключатель

Когда переключатель никуда не включен, тока в цепи нет. Если подключить его к контакту 1, то напряжение с аккумулятора попадет на конденсатор. Конденсатор начнет заряжаться настолько, насколько хватит его емкости. В цепи потечет ток заряда, который сначала будет довольно большим, а по мере зарядки конденсатора будет уменьшаться, пока совсем не сойдет на нуль.

Конденсатор при этом приобретет заряд такого же знака, как и сам аккумулятор. Разомкнув теперь переключатель К, получим разорванную цепь, но в ней стало два источник энергии: аккумулятор и конденсатор.

Разрядка конденсатора

Если теперь перевести переключатель в положение 2, то заряд, накопленный на обкладках конденсатора, начнет разряжаться через сопротивление R.

Причем, сначала, при максимальном напряжении, и ток будет максимальным, величину которого можно вычислить, зная напряжение на конденсаторе, по закону Ома. Ток будет течь, то есть конденсатор будет разряжаться, а напряжение его падать. Соответственно и ток будет все меньше и меньше. И когда в конденсаторе заряда совсем не останется, ток прекратится.

У ситуации, описанной в этих двух случаях, есть интересные особенности:

  1. Электрическая батарея постоянного напряжения, работая в цепи с конденсатором, дает, тем не менее, переменный ток: при зарядке он изменяется от максимального значения до 0.
  2. Конденсатор, имея некоторый заряд, при разряжении через резистор, даст тоже переменный ток, изменяющийся от максимального значения до 0.
  3. В обоих случаях после непродолжительного действия ток прекращается. Конденсатор в обоих случаях после этого демонстрирует разрыв в цепи — ток больше не течет.

Описанные процессы называются переходными. Они имеют место в электрических цепях с постоянным напряжением питания, когда в них установлены реактивные элементы. После прохождения переходных процессов реактивные элементы перестают влиять на режимы токов и напряжений в электрической цепи. Время, в течение которого переходный процесс завершается, зависит как от емкости конденсатора C, так и от активного сопротивления нагрузки R. Очевидно, что чем они больше, тем больше нужен и интервал времени, пока переходный процесс не завершится.

Параметр, характеризующий время переходного процесса, называется «постоянной времени» для данной схемы, обозначается греческой буквой «тау»:

Произведение сопротивления в омах на емкость в фарадах, если рассмотреть внимательно эти единицы измерения, действительно дает величину в секундах.

Однако переходный процесс разрядки конденсатора — это процесс плавный. То есть, грубо говоря, он не заканчивается никогда.

U c – напряжение на конденсаторе (вольт), U 0 – первоначальное напряжение заряженного конденсатора, t – время (сек)

На рисунке видно, что конденсатор будет разряжаться «всегда», так как чем меньше на нем остается зарядов, тем меньший ток будет бежать по цепи, следовательно, тем медленнее будет идти процесс разрядки. Процесс экспоненциальный. По времени отложены значения в секундах величин, кратных постоянной времени. С некоторых значений можно считать процесс практически законченным, например, при 5t, когда напряжения на конденсаторе осталось порядка 0,7%.

Режим, когда переходный процесс завершен, называется стационарным, или режимом постоянного тока.

Принцип работы на переменном напряжении

Так же, как в механике масса обладает свойством инерции, в электричестве заряд в конденсаторе тоже проявляет инерционность. Действительно, при любых электрических процессах он начинает подзаряжаться (если напряжение на его контактах имеет такую же полярность, как и заряд в нем) или разряжаться (если полярность противоположная). Это влияет на картину токов в цепи, а на синусоидальном токе проявляется как сдвиг фазы между напряжением и током.

Фактически в цепи переменного тока непрерывно происходит переходный процесс.

Переменное напряжение U то подзаряжает, то разряжает конденсатор, в результате этого в нем течет ток I, сдвинутый по времени на 90° от периода колебаний напряжения.

Считается, что конденсатор пропускает переменный ток, причем введен параметр «кажущееся сопротивление конденсатора». Он зависит от емкости конденсатора С и от частоты переменного напряжения ω.

Это реактивное сопротивление, которое используется в расчетах цепей, содержащих инерционные, реактивные компоненты. То есть везде, где применяются конденсаторы и катушки индуктивности.

Назначение компонента

Из рассмотренных свойств ясно, что нужны конденсаторы не как источники электрического питания, а именно как реактивные элементы схем, чтобы создавать определенные режимы переменного/импульсного тока.

Используются конденсаторы настолько многообразно, что здесь, на уровне «конденсатор для чайников», можно перечислить только бегло их применение:

  • В выпрямителях служат для сглаживания пульсаций тока.
  • В фильтрах (совместно с резисторами и/или индуктивностями) выступают в роли частотно зависимого элемента для выделения или гашения определенной полосы частот.
  • В колебательных контурах используется конденсатор, работающий при генерации синусоидального напряжения.
  • Несут функцию накопителя в устройствах, где нужно обеспечить мгновенное выделение большой энергии в виде импульса — например, в фотовспышках, лазерах и т.д.
  • Используются в схемах точного управления временными событиями с использованием простейших по строению RC-цепей — реле времени, генераторы одиночных импульсов и т.д.
  • Фазосдвигающий конденсатор применяется в схемах питания синхронных и асинхронных, а также однофазных и трехфазных двигателей переменного тока.

Кроме собственно прибора «конденсатор», вполне успешно используются в технике явления, в основе которых лежит электрическая емкость.

Уровень можно измерить, используя факт того, что жидкость, поднимаясь в датчике между проводниками, играющими роль обкладок, меняет диэлектрическую проницаемость среды, а, следовательно, и емкость прибора, что он и показывает как изменение уровня.

Аналогично этому, сверхмалые толщины можно измерять, меняя расстояние между двумя проводниками-обкладками или их эффективную площадь.

Конденсатор | Класс робототехники

Электрический конденсатор (англ. capacitor) — это устройство, которое может накапливать электрический заряд и хранить его некоторое время. Конденсаторы можно найти практически в любом электронном устройстве. Они бывают разных типов и размеров.

На электрических схемах конденсаторы обозначают двумя параллельными черточками. При этом, у полярных конденсаторов около положительного электрода дополнительно ставится плюсик.

Для чего нужен конденсатор?

У этого прибора есть множество применений. Мы не будем перечислять их все, отметим лишь некоторые.

1) Фильтрация пульсаций в цепях питания. Конденсаторы часто ставят на входе и выходе преобразователей напряжения, на входе питания микросхем. В этом случае конденсаторы служат своего рода амортизаторами, которые могут сгладить неровности напряжения, подобно амортизаторам автомобиля, сглаживающим неровности дороги.

2) Времязадающие электрические цепи. Конденсаторы разной ёмкости заряжаются и разряжаются за разное время. Эту особенность используют в устройствах, где необходимо отсчитывать определенные промежутки времени. Например, с помощью резистора и конденсатора задается период и скважность импульса в микросхеме таймера 555 (урок про таймер 555).

3) Датчики прикосновения. В роли одной из обкладок конденсатора может выступить человек. Эту особенность нашего тела используют в своей работе сенсорные кнопки, тачскрины и тачпады некоторых видов.

4) Хранение данных. Конденсаторы применяются для хранения данных в оперативной памяти — ОЗУ (SRAM). Каждый модуль такой памяти содержит миллиарды отдельных конденсаторов, которые могут быть заряжены или разряжены, что интерпретируется как единица или ноль.

И это далеко не все варианты применения этого незаменимого прибора. Попробуем разобраться, как устройство конденсатора позволяет ему выполнять столько полезных функций!

Устройство простейшего конденсатора

Конденсатор состоит их двух металлических пластин — электродов, называемых также обкладками, между которыми находится тонкий слой диэлектрика.

Собственно, все конденсаторы устроены именно таким (или почти таким) образом, разве что меняется материал обкладок и диэлектрика.

Чтобы увеличить ёмкость конденсатора, не увеличивая его размеры, применяют разные хитрости. Например, если мы возьмем две обкладки в виде длинных полосок фольги, проложим между ними хотя бы тот же полиэтилен и свернем все это как рулет, то получится очень компактный прибор с большой ёмкостью. Именно так устроены плёночные конденсаторы.

Если вместо полиэтилена взять бумагу и пропитать её электролитом, то на поверхности фольги образуется тонкий слой оксида, который не проводит ток. Такой конденсатор будет называться электролитическим.

Существует много разных видов конденсаторов: бумажные, плёночные, оксидные алюминиевые и танталовые, вакуумные и т.п. В нашем уроке мы будем использовать оксидные электролитические конденсаторы из-за их большой ёмкости и доступности.

Полярные и неполярные конденсаторы

Очень важным является разделение конденсаторов на полярные и неполярные.

Приборы на основе оксидов: электролитические алюминиевые и танталовые обычно являются полярными, а значит если перепутать их полярность — они выйдут из строя. Причём этот выход из строя будет сопровождаться бурной электрохимической реакций вплоть до взрыва конденсатора.

На полярных конденсаторах всегда имеется маркировка. Как правило на электролитических конденсаторах на корпусе контрастной полосой отмечается отрицательный вывод (катод), у танталовых (в желтых прямоугольных корпусах) полоской помечается положительный вывод (анод). Если есть сомнения в маркировке, то лучше найти документацию на этот конденсатор и убедиться.

Неполярные же конденсаторы можно включать в цепь какой угодно стороной. К примеру, многослойные керамические конденсаторы — неполярные.

Ёмкость и напряжение конденсатора

Теперь обратим внимание на две важные характеристики конденсатора: ёмкость и номинальное напряжение.

Ёмкость конденсатора характеризует способность конденсатора накапливать заряд. Это как ёмкость банки, в которой хранится, к примеру, вода. Кстати, не зря одним из первых электрических конденсаторов была так называемая Лейденская банка. Она представляла собой обыкновенную стеклянную посуду, снаружи обмотанную фольгой. В банку была налита токопроводящая жидкость — электролит. Фольга и электролит играли роль обкладок, а стекло банки служило тем самым диэлектрическим барьером.

Ёмкость электрического конденсатора измеряют в фарадах. В схемах ёмкость обозначают латинской буквой C. Как правило, ёмкость классических конденсаторов варьируется от нескольких пикофарад (пФ) до нескольких тысяч микрофарад (мкФ). Ёмкость указывается на корпусе конденсатора. Если единицы не указаны — то это пикофарады. Микрофарады часто обозначают как uF — так как буква u внешне похожа на греческую букву мю, которую используют вместо приставки микро.

Существует и особый вид конденсаторов, называемых ионисторами (англ. supercapacitor), которые имеют ёмкость в несколько фарад!  Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше энергии в нём может храниться и тем дольше он заряжается, при прочих равных условиях.

Номинальное напряжение — второй важный параметр. Это такое напряжение, при котором конденсатор будет работать весь срок службы без критичного изменения своих параметров. Нельзя применять в 12-вольтовой цепи конденсатор на 6 вольт — он быстро выйдет из строя.

Именно эти два параметра обычно наносят на поверхность корпуса конденсатора. На фотографии ниже изображён электролитический конденсатор ёмкостью 470 мкФ и номинальным напряжением 16 Вольт.

А вот на керамических конденсаторах часто указывают только ёмкость. На картинке ниже конденсатор имеет маркировку 104. Что бы это значило?

Последняя цифра в этом коде — количество нулей после двухзначного числа в начале. 104 = 10 0000 пФ = 100 нФ = 0,1 мкФ

Параллельное и последовательное подключение конденсаторов

Как и в случае резисторов, конденсаторы можно составлять в цепочки. Это бывает нужно, когда в схеме необходима какая-то конкретная ёмкость, а у вас нет такого конденсатора.

Параллельное подключение

В отличие от резисторов, при параллельном подключении конденсаторов их ёмкости складываются. Например, если нам нужно получить ёмкость 3000 мкФ, а у нас есть два конденсатора по 1000 мкФ, и 10 штук по 100 мкФ, смело ставим их параллельно и получаем: 1000*2+100*10 = 2000 + 1000 = 3000 мкФ

Последовательно подключение

При последовательном подключении конденсаторы ведут себя как резисторы, соединённые параллельно. Например, посчитаем суммарную ёмкость двух конденсаторов на 100 мкФ, соединённых последовательно:

Суммарная ёмкость Ctot = 50 мкФ.

Заряд и разряд конденсатора — RC-цепочка

Теперь разберёмся с процессами, происходящими внутри конденсатора во время заряда и разряда. Для этого рассмотрим самую простую электрическую цепь с конденсатором. С левой стороны схемы подключим источник питания. Сверху разместим ключ и резистор, а справа сам конденсатор. Участок цепи, на котором есть конденсатор и резистор называют RC-цепью.

При замыкании ключа, в такой цепи образуется электрический ток, сила которого зависит от сопротивления резистора и внутреннего сопротивления самого конденсатора. Заряженные частицы устремятся к конденсатору, но не смогут преодолеть слой диэлектрика (по крайней мере все разом). Вследствие чего, с одной стороны конденсатора накопятся отрицательно заряженные частицы, а с другой стороны — положительно заряженные. Концентрация заряженных частиц на обкладках создаст мощное электрическое поле между ними.

С течением времени, напряжение на конденсаторе растет, а сила тока падает. После завершения процесса заряда, ток в цепи упадет почти до нуля. Останется только очень маленький ток утечки, который образуется благодаря тому, что некоторым заряженным частицам всё же удается проскочить через слой диэлектрика. Напряжение, напротив, станет практически равным напряжению источника.

Когда мы отключим конденсатор от источника питания, этот самый ток утечки постепенно разрядит конденсатор. Эта особенность электрических конденсаторов не даёт нам сделать из них контейнер для длительного хранения энергии. Хотя частично эту проблему решают ионисторы.

Резистор и время заряда конденсатора

Зачем в цепи нужен резистор? Что на мешает подключить его напрямую к источнику? Тому есть две причины.

Резистор ограничивает ток, протекающий через конденсатор. Чем меньше заряженных частиц за единицу времени прибывает в конденсатор, тем больше времени для заряда ему потребуется.

Конденсатор заряжается и разряжается по экспоненциальному закону. Зная это, мы можем легко рассчитать время заряда/разряда в зависимости от его ёмкости и от сопротивления резистора.

По картинке можно понять, что за время T конденсатор заряжается на 63,2%. А вот за время 3T уже на 95%. Время T здесь равно произведению ёмкости конденсатора C на сопротивление R, последовательно соединенного резистора:

Например, у нас есть конденсатор ёмкостью 100 мкФ, соединенный с резистором 1 кОм. Посчитаем за сколько секунд он зарядится хотя бы до 95%:

Теперь умножаем это на 3 и получаем 3T = 0,3 секунды — за такое время конденсатор почти полностью будет заряжен.

Таким образом, меняя ёмкость конденсатора и резистора мы можем управлять временем его заряда, что нам ещё пригодится в будущем.

Вторая важная причина, по которой в цепи присутствует резистор — защита источника питания. Дело в том, что разряженные конденсаторы имеют очень низкое внутреннее сопротивление, которое составляет доли Ома. По сути, их можно рассматривать как обычные проводники. А что будет, если замкнуть выводы питания проводником? Будет короткое замыкание! Такой режим работы цепи является аварийным для источника питания, и его нужно всячески избегать.

Плавное выключение светодиода при помощи конденсатора

Проведем небольшой опыт. Для этого соберем на макетной плате цепь с кнопкой, конденсатором и светодиодом. В качестве источника питания используем контакты питания Ардуино Уно.

Принципиальная схема

Внешний вид макета

Подключим Ардуино  к питанию. Затем, нажмем кнопку и светодиод практически мгновенно загорится. Отпустим кнопку — светодиод медленно начнет гаснуть. Почему так происходит?

Сразу после подключения нашей схемы к источнику питания, в ней начинают происходит интересные процессы.

Как уже говорилось ранее, пока конденсатор пустой, ток через него максимален. Следовательно, конденсатор начинает стремительно набирать заряд. При этом светодиоду, который подключен параллельно, ничего не достается 🙁 Напряжение на нем близко к нулю.

С течением времени конденсатор насыщается, благодаря чему ток начинает постепенно переходить в параллельную цепь — через светодиод. Напряжение на светодиоде начинает расти. Наступает момент, когда напряжение на светодиоде принимает критическое значение (для красного светодиода около 1,8 В), при котором он стремительно отбирает остатки тока у конденсатора и вспыхивает!

Когда мы отпускаем кнопку, ситуация становится гораздо проще. Конденсатор становится источником питания для светодиода с резистором. Светодиод начинает медленно высасывать заряд из конденсатора, пока тот не разрядится. Тут мы и наблюдаем медленно угасание.

Меняя сопротивление R1, мы можем влиять на скорость вспыхивания светодиода. Однако, следует учитывать, что увеличивая R1 мы будем снижать ток в цепи, тем самым уменьшая максимальный заряд конденсатора и яркость светодиода.

Увеличивая C1, мы получим более длительное время работы светодиода после выключения источника. Это как поставить более ёмкую батарейку.

Наконец, меняя R2 можно регулировать яркость светодиода, и соответственно, время его работы. Ведь чем меньше тока мы забираем из конденсатора, тем на большее время его хватит.

К размышлению

Итак, мы познакомились с конденсатором — интересным и порой опасным жителем любой электронной платы. В следующих уроках уделим внимание резистору и индуктивности, а также более сложному их собрату — транзистору.

Вконтакте

Facebook

Twitter

Что такое конденсатор и для чего он нужен?

Конденсатор (с латинского «condensare» — «уплотнять», «сгущать», в простонародье «кондер») — один из самых распространенных элементов в радиоэлектронике, после резистора. Состоит из двух обкладок разделенных диэлектриком малой толщины, по сравнению с толщиной этих обкладок. Но на практике эти обкладки свернуты в многослойный рогалик, ой рулон в форме цилиндра или параллелепипеда разделенных все тем же диэлектриком.

Принцип работы конденсатора

Заряд. При подключении к источнику питания на обкладках скапливаются заряды. При зарядке на одной пластине скапливаются положительно заряженные частицы (ионы), а на другой отрицательно заряженные частицы (электроны). Диэлектрик служит препятствием, чтобы частицы не перескакивали на другую обкладку. При зарядке вместе с емкостью растет и напряжение на выводах и достигает максимума, равного напряжению источника питания.

Разряд. Если после зарядки конденсатора отключить питание и подключить нагрузку, конденсатор уже будет играть роль источника тока.  Электроны начнут двигаться в через нагрузку, которая при подключении образовывает замкнутую цепь, к ионам (по закону притяжения между разноименными разрядами).

Основными параметрами конденсатора являются:
  1. Номинальная емкость — это его основная характеристика, подразумевает объем электрических зарядов. Измеряется емкость в Фарадах (сокращенно Ф), на практике часто встречаются мкФ (1мкФ = 0,000001 Ф), нФ (1нФ = 0,000000001 Ф), пФ (1пФ = 0,000000000001 Ф), так как емкость в 1Ф очень велика. Но  есть такой компонент который может иметь емкость даже больше 1 Фарады его называют ионистр (о нем и о других я расскажу позже).
  2. Номинальное напряжение — это максимальное напряжение, при котором конденсатор может надежно и долго работать, измеряется конечно же в вольтах (сокращенно В). При превышении напряжения конденсатор выйдет из строя. В случаях когда необходимо поменять конденсатор, а с нужной емкостью имеется, но он рассчитан на большее напряжение по сравнению с вышедшем из строя его можно спокойно ставить (например «сгорел» конденсатор 450мкФ 10В, его можно заменить на 450мкФ 25В). Главное чтобы он по габаритам поместился в вашу плату.
  3. Допуск отклонения —  допустимое отклонение величины его реальной ёмкости от указанной на корпусе. Обозначается в процентах. Допуск у конденсаторов может достигать 20 – 30%. В устройствах, где требуется особая точность, применяются конденсаторы с малым допуском (1% и менее).
  4. Температурный коэффициент емкости — встречается на электролитических конденсаторах. Емкость алюминиевого электролитического конденсатора зависит от температуры. С понижением температуры (особенно ниже 0°C) повышается вязкость электролита и его ESR (удельное электрическое сопротивление), что ведет к уменьшению емкости конденсатора.
Для чего же нужны конденсаторы и с чем их «едят».
  • В цепи переменного тока конденсатор нужен в роли емкостного сопротивления. Если в цепи с постоянным током конденсатор подключить последовательно лампочке, она светится не будет, а в цепи с переменном током она загорится. И будет святится даже ярче и чем выше емкость конденсатора тем ярче будет свет. За счет этого свойства конденсаторы часто используются в качестве фильтрации пульсирующего тока (его основная задача во многих схемах), он хорошо подавляет ВЧ и НЧ помехи, скачки переменного тока и пульсации напряжения.
  • За счет своей главной особенности накапливать электрический заряд и затем быстро его отдавать создавая импульс, делает их незаменимыми при изготовлении фотовспышек, магнитных ускорителей, стартеров и т.п.
  • Конденсаторы также используются для запуска трехфазных двигателей на однофазном питании, подключая к третьему выводу он сдвигает фазу на 90 градусов.
  • Благодаря способности накапливать и отдавать заряд, конденсаторы используют в схемах в которых нужно сохранить информацию на длительное время. Но к сожалению, он значительно уступает в способности накапливать энергию аккумуляторным батареям питания, из-за саморазряда и не способности накопить электроэнергию большей величины.

Как вам статья?

Мне нравитсяНе нравится

( Пока оценок нет )

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:

Конденсаторы. Что это и для чего они нужны.

Конденсатор – распространенное двухполюсное устройство, применяемое в различных электрических цепях. Он имеет постоянную или переменную ёмкость и отличается малой проводимостью, он способен накапливать в себе заряд электрического тока и передавать его другим элементам в электроцепи.
Простейшие примеры состоят из двух пластинчатых электродов, разделенных диэлектриком и накапливающих противоположные заряды. В практических условиях мы используем конденсаторы с большим числом разделенных диэлектриком пластин.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Назначение конденсатора и принцип его работы – это распространенные вопросы, которыми задаются новички в электротехнике. В электрических схемах данные устройства могут использоваться с различными целями, но их основной функцией является сохранение электрического заряда, то есть, такое устройство получает электрический ток, сохраняет его и впоследствии передает в цепь. Для лучшего понимания принципа работы посмотрите статью про то, как сделать простой конденсатор своими руками.


Заряд конденсатора начинается при подключении электронного прибора к сети. В момент подключения прибора на электродах конденсатора много свободного места, потому электрический ток, поступающий в цепь, имеет наибольшую величину. По мере заполнения, электроток будет уменьшаться и полностью пропадет, когда ёмкость устройства будет полностью наполнена.

В процессе получения заряда электрического тока, на одной пластине собираются электроны (частицы с отрицательным зарядом), а на другой – ионы (частицы с положительным зарядом). Разделителем между положительно и отрицательно заряженными частицами выступает диэлектрик, в качестве которого могут использоваться различные материалы.

В момент подключения электрического устройства к источнику питания, напряжение в электрической цепи имеет нулевое значение. По мере заполнения ёмкостей напряжение в цепи увеличивается и достигает величины, равной уровню на источнике тока.

При отключении электрической цепи от источника питания и подключении нагрузки, конденсатор перестает получать заряд и отдает накопленный ток другим элементам. Нагрузка образует цепь между его пластинами, потому в момент отключения питания положительно заряженные частицы начнут двигаться по направлению к ионам.

Начальный ток в цепи при подключении нагрузки будет равняться напряжению на отрицательно заряженных частицах, разделенному на величину сопротивления нагрузки. При отсутствии питания конденсатор начнет терять заряд и по мере убывания заряда в ёмкостях, в цепи будет снижаться уровень напряжения и величины тока. Этот процесс завершится только тогда, когда в устройстве не останется заряда.

На рисунке выше представлена конструкция бумажного конденсатора:
а) намотка секции;
б) само устройство.
На этой картинке:

1.    Бумага;

2.    Фольга;

3.    Изолятор из стекла;

4.    Крышка;

5.    Корпус;

6.    Прокладка из картона;

7.    Оберточная бумага;

8.    Секции.

Ёмкость конденсатора считается важнейшей его характеристикой, от него напрямую зависит время полной зарядки устройства при подключении прибора к источнику электрического тока. Время разрядки прибора также зависит от ёмкости, а также от величины нагрузки. Чем выше будет сопротивление R, тем быстрее будет опустошаться ёмкость конденсатора.

В качестве примера работы конденсатора можно рассмотреть функционирование аналогового передатчика или радиоприемника. При подключении прибора к сети, конденсаторы, подключенные к катушке индуктивности, начнут накапливать заряд, на одних пластинах будут собираться электроды, а на других – ионы. После полной зарядки ёмкости устройство начнет разряжаться. Полная потеря заряда приведет к началу зарядки, но уже в обратном направлении, то есть, пластины имевшие положительный заряд в этот раз будут получать отрицательный заряд и наоборот.

НАЗНАЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНДЕНСАТОРОВ

В настоящее время их используют практически во всех радиотехнических и различных электронных схемах.
В электроцепи переменного тока они могут выступать в качестве ёмкостного сопротивления. К примеру, при подключении конденсатора и лампочки к батарейке (постоянный ток), лампочка светиться не будет. Если же подключить такую цепь к источнику переменного тока, лампочка будет светиться, причем интенсивность света будет напрямую зависеть от величины ёмкости используемого конденсатора. Благодаря этим особенностям, они сегодня повсеместно применяются в цепях в качестве фильтров, подавляющих высокочастотные и низкочастотные помехи.

Конденсаторы также используются в различных электромагнитных ускорителях, фотовспышках и лазерах, благодаря способности накапливать большой электрический заряд и быстро передавать его другим элементам сети с низким сопротивлением, за счет чего создается мощный импульс.

Во вторичных источниках электрического питания их применяют для сглаживания пульсаций при выпрямлении напряжения.

Способность сохранять заряд длительное время дает возможность использовать их для хранения информации.

Использование резистора или генератора тока в цепи с конденсатором позволяет увеличить время заряда и разряда ёмкости устройства, благодаря чему эти схемы можно использовать для создания времязадающих цепей, не предъявляющих высоких требований к временной стабильности.

В светильниках применяется  для компенсации реактивной мощности.

 

 

Электрическая энергия, вырабатываемая генераторами электростанций, характеризуется их активной и реактивной мощностью. Активная мощность потребляется электроприемниками, преобразуясь в тепловую, механическую и другие виды энергии. Реактивная мощность характеризует электроэнергию, преобразуемую в энергию электрических и магнитных полей. В электрической сети и ее электроприемниках происходит процесс обмена энергией между электрическими и магнитными полями. Устройства, которые целенаправленно участвуют в этом процессе, называют источниками реактивной мощности(ИРМ). Такими устройствами могут быть не только генераторы электрических станций, но и синхронные компенсаторы, реакторы, конденсаторы, реактивной мощностью которых управляют по определенному закону регулирования с помощью специальных средств.

Реактивная мощность снижает эффективность использования всей энергосистемы, ее пытаются максимально снизить с помощью конденсаторных установок.

§52. Конденсаторы, их назначение и устройство

Заряд и разряд конденсатора.

Конденсатор представляет собой устройство, способное накапливать электрические заряды. Простейшим конденсатором являются две металлические пластины (электроды), разделенные каким-либо диэлектриком. Конденсатор 2 можно зарядить, если соединить его электроды с источником 1 электрической энергии постоянного тока (рис. 181, а).

Рис. 181. Заряд и разряд конденсатора

При заряде конденсатора свободные электроны, имеющиеся на одном из его электродов, устремляются к положительному полюсу источника, вследствие чего этот электрод становится положительно заряженным. Электроны с отрицательного полюса источника устремляются ко второму электроду и создают на нем избыток электронов, поэтому он становится отрицательно заряженным.

В результате протекания зарядного тока i3 на обоих электродах конденсатора образуются равные, но противоположные по знаку заряды и между ними возникает электрическое поле, создающее между электродами конденсатора определенную разность потенциалов. Когда эта разность потенциалов станет равной напряжению источника тока, движение электронов в цепи конденсатора, т. е. прохождение по ней тока i3 прекращается. Этот момент соответствует окончанию процесса заряда конденсатора.

При отключении от источника (рис. 181,б) конденсатор способен длительное время сохранять накопленные электрические заряды. Заряженный конденсатор является источником электрической энергии, имеющим некоторую э. д. с. ес. Если соединить электроды заряженного конденсатора каким-либо проводником (рис. 181, в), то конденсатор начнет разряжаться.

При этом по цепи пойдет ток iр разряда конденсатора. Начнет уменьшаться и разность потенциалов между электродами, т. е. конденсатор будет отдавать накопленную электрическую энергию во внешнюю цепь.

В тот момент, когда количество свободных электронов на каждом электроде конденсатора станет одинаковым, электрическое поле между электродами исчезнет и ток станет равным нулю. Это означает, что произошел полный разряд конденсатора, т. е. он отдал накопленную им электрическую энергию.

Емкость конденсатора.

Свойство конденсатора накапливать и удерживать электрические заряды характеризуется его емкостью. Чем больше емкость конденсатора, тем больше накопленный им заряд, так же как с увеличением вместимости сосуда или газового баллона увеличивается объем жидкости или газа в нем.

Емкость С конденсатора определяется как отношение заряда q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов между его электродами (приложенному напряжению)U:

C = q / U (69)

Емкость конденсатора измеряется в фарадах (Ф). Емкостью в 1 Ф обладает конденсатор, у которого при сообщении заряда в 1 Кл разность потенциалов возрастает на 1 В. В практике преимущественно пользуются более мелкими единицами: микрофарадой (1 мкФ=10-6 Ф), пикофарадой (1 пФ = 10-12 мкФ).

Емкость конденсатора зависит от формы и размеров его электродов, их взаимного расположения и свойств диэлектрика, разделяющего электроды. Различают плоские конденсаторы, электродами которых служат плоские параллельные пластины (рис. 182, а), и цилиндрические (рис. 182,б).

Рис. 182. Плоский (а) и цилиндрический (б) конденсаторы

Свойствами конденсатора обладают не только специально изготовленные на заводе устройства, но и любые два проводника, разделенные диэлектриком. Емкость их оказывает существенное влияние на работу электротехнических установок при переменном токе.

Например, конденсаторами с определенной емкостью являются два электрических провода, провод и земля (рис. 183, а), жилы электрического кабеля, жилы и металлическая оболочка кабеля (рис. 183,6).

Рис. 183. Емкости, образованные проводами воздушной линии (а) и жилами кабеля (б)

Устройство конденсаторов и их применение в технике.

В зависимости от применяемого диэлектрика конденсаторы бывают бумажными, слюдяными, воздушными (рис. 184).

Рис. 184. Общие виды применяемых конденсаторов: 1 — слюдяные; 2 — бумажные; 3 — электролитический; 4 — керамический

Используя в качестве диэлектрика вместо воздуха слюду, бумагу, керамику и другие материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, удается при тех же размерах конденсатора увеличить в несколько раз его емкость. Для того чтобы увеличить площади электродов конденсатора, его делают обычно многослойным.

В электротехнических установках переменного тока обычно применяют силовые конденсаторы. В них электродами служат длинные полосы из алюминиевой, свинцовой или медной фольги, разделенные несколькими слоями специальной (конденсаторной) бумаги, пропитанной нефтяными маслами или синтетическими пропитывающими жидкостями.

Ленты фольги 2 и бумаги 1 сматывают в рулоны (рис. 185), сушат, пропитывают парафином и помещают в виде одной или нескольких секций в металлический или картонный корпус. Необходимое рабочее напряжение конденсатора обеспечивается последовательным, параллельным или последовательно-параллельным соединениями отдельных секций.

Рис. 185. Устройство бумажного (а) и электролитического (б) конденсаторов

Всякий конденсатор характеризуется не только значением емкости, но и значением напряжения, которое выдерживает его диэлектрик. При слишком больших напряжениях электроны диэлектрика отрываются от атомов, диэлектрик начинает проводить ток и металлические электроды конденсатора замыкаются накоротко (конденсатор пробивается).

Напряжение, при котором это происходит, называют пробивным. Напряжение, при котором конденсатор может надежно работать неограниченно долгое время, называют рабочим. Оно в несколько раз меньше пробивного.

Конденсаторы широко применяют в системах энергоснабжения промышленных предприятий и электрифицированных железных дорог для улучшения использования электрической энергии при переменном токе.

На э. п. с. и тепловозах конденсаторы используют для сглаживания пульсирующего тока, получаемого от выпрямителей и импульсных прерывателей, борьбы с искрением контактов электрических аппаратов и с радиопомехами, в системах управления полупроводниковыми преобразователями, а также для создания симметричного трехфазного напряжения, требуемого для питания электродвигателей вспомогательных машин.

В радиотехнике конденсаторы служат для создания высокочастотных электромагнитных колебаний, разделения электрических цепей постоянного и переменного тока и др.

В цепях постоянного тока часто устанавливают электролитические конденсаторы. Их изготовляют из двух скатанных в рулон тонких алюминиевых лент 3 и 5 (рис. 185,б), между которыми проложена бумага 4, пропитанная специальным электролитом (раствор борной кислоты с аммиаком в глицерине).

Алюминиевую ленту 3 покрывают тонкой пленкой окиси алюминия; эта пленка образует диэлектрик, обладающий высокой диэлектрической проницаемостью. Электродами конденсатора служат лента 3, покрытая окисной пленкой, и электролит; вторая лента 5 предназначена лишь для создания электрического контакта с электролитом. Конденсатор помещают в цилиндрический алюминиевый корпус.

При включении электролитического конденсатора в цепь постоянного тока необходимо строго соблюдать полярность его полюсов; электрод, покрытый окисной пленкой, должен быть соединен с положительным полюсом источника тока. При неправильном включении диэлектрик пробивается.

По этой причине электролитические конденсаторы нельзя включать в цепи переменного тока. Их нельзя также использовать в устройствах, работающих при высоких напряжениях, так как окисная пленка имеет сравнительно небольшую электрическую прочность.

В радиотехнических устройствах применяют также конденсаторы переменной емкости (рис. 186).

Рис. 186. Устройство конденсатора переменной емкости

Такой конденсатор состоит из двух групп пластин: неподвижных 2 и подвижных 3, разделенных воздушными промежутками. Подвижные пластины могут перемещаться относительно неподвижных; при повороте оси 1 конденсатора изменяется площадь взаимного перекрытия пластин, а следовательно, и емкость конденсатора.

Способы соединения конденсаторов.

Конденсаторы можно соединять последовательно и параллельно. При последовательном соединении нескольких (например, трех), конденсаторов (рис. 187, а) эквивалентная емкость

1 /Cэк = 1 /C1 + 1 /C2 + 1 /C3

эквивалентное емкостное сопротивление

XCэк= XC1 + XC2 + XC3

результирующее емкостное сопротивление

Cэк = C1 + C2 + C3

При параллельном соединении конденсаторов (рис. 187,б) их результирующая емкость

1 /XCэк = 1 /XC1 + 1 /XC2 + 1 /XC3

Рис. 187. Последовательное (а) и параллельное (б) соединения конденсаторов

Включение и отключение цепей постоянного тока с конденсатором.

При подключении цепи R-C к источнику постоянного тока и при разряде конденсатора на резистор также возникает переходный процесс с апериодическим изменением тока i и напряжения uc.

При подключении к источнику постоянного тока цепи R-C выключателем В1 (рис. 188,а) происходит заряд конденсатора. В начальный момент зарядный ток Iнач=U /R. Но по мере накопления зарядов на электродах конденсатора напряжение его и с будет возрастать, а ток уменьшаться (рис. 188,б).

Рис. 188. Схема подключения цепи R-C к источнику постоянного тока (а) и кпивые тока и напряжения при переходном процессе (б) кривые

Если сопротивление R мало, то в начальный момент подключения конденсатора возникает большой екачок тока, значительно превышающий номинальный ток данной цепи. При разряде конденсатора на резистор R (размыкается выключатель В1 на рис. 189, а) напряжение на конденсаторе uс и ток i постепенно уменьшаются до нуля (рис. 189,б).

Рис. 189. Схема разряда емкости С на резистор R (а) и кривые тока и напряжения при переходном процессе (б)

Скорость изменения тока i и напряжения ис при переходном процессе отделяется постоянной времени

T = RC

Чем больше R и С, тем медленнее происходит заряд конденсатора.

Процессы заряда и разряда конденсатора широко используют в электронике и автоматике. С помощью их получают периодаческие несинусоидальные колебания, называемые релаксационными, и, в частности, пилообразное напряжение, необходимое для работы систем управления тиристорами, осциллографов и других устройств.

Для получения пилообразного напряжения (рис. 190) периодически подключают конденсатор к источнику питания, а затем к разрядному резистору.

Рис. 190. Кривая пилообразного напряжения

Периоды Т1 и T2, соответствующие заряду и разряду конденсатора, определяются постоянными времени цепей заряда Т3 и разряда Тр, т. е. сопротивлениями резисторов, включенных в эти цепи.

Разделительный конденсатор

Создание связи по переменному току необходимо, чтобы запретить протекание постоянного тока между определенными точками схемы и обес­печить при этом свободное прохождение переменного тока. Электрон­ные компоненты, обеспечивающие связь по переменному току, например конденсаторы или трансформаторы, обычно устанавливаются на входе и выходе усилителя. Таким образом, заданный режим покоя (статический режим) транзистора не влияет на статические режимы предыдущего и последующего каскадов.

В схеме, приведенной на рис. 23.1. конденсатор связывает точки А и В по переменному току, aR – нагрузочный резистор. Для постоянного тока конденсатор действует как разрыв цепи, полностью блокируя протекание постоянного тока между точками А и В. По этой причине конденсатор связи называют блокировочным или разделительным конденсатором.

Удовлетворительное качество связи по переменному току достигается только в том случае, когда реактивное сопротивление Хс конденсатора на рабочей частоте много меньше сопротивления нагрузочного резистора R. Тогда на этом конденсаторе падает (и теряется) очень малая часть напряжения входного сигнала. Например, если Vвх = 100 мВ, то связь по переменному току можно считать удовлетворительной, когда выходное напряжение          Vвых = 95 мВ и на разделительном конденсаторе падает 5 мВ (5%). Требуемую емкость разделительного конденсатора определяют два фактора.

1.                   Сопротивление загрузочного резистора R. Считая, что удовлетвори­тельная связь но переменному току достигается, когда Хс = R/20, для R = 1 кОм получаем Хс = 50 Ом.

 

 

Рис. 23.1. Установка разделительного                                      Рис. 23.2.  Влияние развязывающего конденсатора.                                                                          конденсатора.

                                                           

Указаны потен­циалы точки А без развязывающего конденсатора (а) и с развязывающим конденсатором (б).

Предположим, что рабочая частота f = 300 Гц. Поскольку Хc = 1/2πfC1, то

Если сопротивление нагрузочного резистора увеличить до 100 кОм, то Хc= R/20 = 1/20·100 = 5 кОм

Таким образом, если сопротивление нагрузочного резистора увеличить в 100 раз (с 1 кОм до 100 кОм), то емкость разделительного конденсатора можно уменьшить в той же пропорции (с 10 мкФ до 0,1 мкФ).

Вообще, чем больше сопротивление нагрузочного резистора, тем мень­ше требуемая емкость разделительного конденсатора.

2. Рабочая частота. Возьмем в качестве исходного вышеприведенный пример, где удовлетворительная связь по переменному току достига­лась при С = 10 мкФ и R = 1 кОм для f = 300 Гц.

Если теперь рабочую частоту увеличить до 300 кГц, то с учетом усло­вия Хс = R/20 = 50Ом получаем

Таким образом, если рабочую частоту увеличить в 1000 раз (с 300 Гц до 300 кГц), то емкость разделительного конденсатора можно уменьшить в 1000 раз (с 10 мкФ до 0,01 мкФ).

Вообще, при заданном сопротивлении нагрузочного резистора для низ­ких рабочих частот необходимо использовать разделительные конденсаторы большой емкости, и наоборот.

Когда речь идет о рабочем диапазоне частот, емкость разделительно­го конденсатора определяется наименьшей частотой из этого диапазона. Обращаясь к рассмотренным выше примерам, мы видим, что конденсатор) емкостью 10 мкФ в соответствии с расчетами обеспечивает адекватную связь по неременному току при частоте 300 Гц и тем более при частоте 300 кГц..1) в точке А постоянный потенциал равен 10 В, а переменный потенциал сигнала — 10 мВ. Кон­денсатор, представляющий собой разрыв цени для постоянного тока, не оказывает никакого влияния на постоянный потенциал точки А, Одна­ко если емкость этого конденсатора такова, что па рабочей частоте его реактивное сопротивление существенно меньше сопротивления резистора R, то конденсатор будет эффективно осуществлять короткое замыкание сигнала переменного тока на землю. Таким образом, потенциал точки А по переменному току будет равен нулю. ёмкость конденсатора С, обес­печивающая удовлетворительную развязку, определяется сопротивлени­ем резистора R и рабочей частотой — но тем же самым формулам, ко­торые использовались для расчета емкости разделительного конденса­тора.

Усилитель с ДС-связью

На рис. 23.3 приведена схема усилителя с ДС-связыо, где С} — входной разделительный конденсатор. Емкость этого конденсатора должна быть сравнительно велика в силу низкого входного сопротивления транзистора в схеме с ОЭ (это сопротивление становится еще меньше за счет шунтиро-вания входа, усилителя резистором R^}. связывает выход усилителя с нагрузкой или следующим каскадом, его емкость сравнима с емкостью конденсатора Ci. Типичные значения емкостей разделитель-ьшх конденсаторов следующие:

10-50 мкФ. 0.01-0,1 мкФ.

для звуковых частот:

для радиочастот:

 

Рис. 23.3. Усилитель с RC-связью с

развязывающим конденсатором С3 в цепи эмиттера.            Рис. 23.4. Инвертирование (измене­ние на 180°) фазы сигнала в усили­теле с ОЭ.

Развязывающий конденсатор

Отрицательная обратная связь через резистор R4 в усилителе на рис. 23.3, с одной стороны, обеспечивает необходимую стабильность усилителя по постоянному току, а с другой стороны, снижает его коэффициент усиле­ния до очень малой величины (2-3). Снижение коэффициента усиления связано с действием отрицательной обратной связи по переменному току, обусловленной падением напряжения сигнала на резисторе R4. Для устранения этой отрицательной обратной связи по переменному току и одновременного сохранения стабильности по постоянному току применя­ется эмиттерный развязывающий конденсатор С3.

Типичные значения емкости эмиттерного развязывающего конденса­тора того же порядка, что и для разделительного конденсатора.

Усиление

Схема, приведенная на рис. 23.3, является законченной схемой однокас­кадного усилителя с ОЭ. При подаче сигнала (например, синусоидальной формы) на вход усилителя этот сигнал передается через конденсатор С1 на базу транзистора. В начале положительного полупериода входного сигнала потенциал базы возрастает относительно потенциала эмиттера, напряжение VBEувеличивается, ток эмиттера Ie, а с ним и ток коллек­тора Ic, возрастают, в результате уменьшается напряжение на коллекторе Vc. Это означает, что положительному полу периоду входного сигнала со­ответствует отрицательный полупериод выходного сигнала. С другой сто­роны, отрицательному полупериоду входного сигнала соответствует поло­жительный полупериод изменения коллекторного напряжения. Таким образом, сигналы на входе и выходе усилителя противофазны, как по­казано на рис. 23.4. Усиление сигнала происходит в силу того, что очень малый размах напряжения VBEприводит к большому размаху тока транзистора, который, проходя через резисторR3, вызывает большой размах коллекторного напряжения.

Линия нагрузки

Выходные характеристики транзистора дают общее представление о рабо­те транзистора. Для того чтобы получить представление о работе транзи­стора в конкретной схеме, нужно начертить линию нагрузки. На рис. 23.5 изображены семейство выходных характеристик транзистора, работаю­щего в схеме усилителя на рис. 23.3, и линия нагрузки XY.

Прежде чем проводить линию нагрузки, нужно сначала зафиксиро­вать две точки, попадающие на эту линию. Лучше всего использовать точку Х на оси х, где ток Ic = 0, и точку Y на оси у, где Vc = 0. Через эти две точки проводится прямая линия — линия нагрузки. Предполагается, что Vc = VCE.

Точка X. В этой точке ток транзистора Ic = 0. Транзистор находится в состоянии отсечки. Следовательно, напряжение на коллекторе Vc = VCC.

Точка Y. Здесь коллекторное напряжение Vc = 0. Подставляя Vc = 0 в уравнение               VCC = Vc + VR3, получаем VCC = VR3. Но VR3 = Ic R3, поэтому VCC = Ic R3. Следовательно,

Ic = VCC / R3.

Рис. 23.5. Линия нагрузки.

Для величин, указанных на рис. 23.3, положение точек Х и Y будет определяться следующими параметрами:

Точка Х          Ic = 0, Vc = VCC = 10 В.

Точка Y         Vc = 0, Ic = VCC/ R3 = 10/3,3 = 3 мА.

Таким образом, XY — это линия нагрузки для нагрузочного резистора сопротивлением        R3 = 3,3 кОм.

При использовании нагрузочного резистора меньшего номинала (2,2 кОм) получаем линию нагрузки ХYa. Положение точки Х не изменяется по сравнению с предыдущим случаем, поскольку напряжение VСС остается тем же самым — 10 В. Для точки Yb получаем Ic = VCC / R3 = 10 В/2,2кОм = 4,55мА.

Нагрузочному резистору более высокого номинала, например 4,9 кОм, соответствует линия нагрузки ХYb с точкой Yb при Ic = 10 В/4, 9 кОм ≈ 2 мА.

Графический анализ

Процесс усиления сигнала осуществляется вдоль линии нагрузки и может быть представлен графически, как показано на рис. 23.6. Точка Q есть статическая рабочая точка, представляющая режим работы усилителя по постоянному току, т. е. в отсутствие сигнала. Рабочая точка задает смещение транзистора в статическом режиме. В рассматриваемом случае смещение определяется следующими величинами:

Ib = 20 мкА, Ic = 1,5 мА, Vc = 5 В.

Рис. 23.6. Графическое представление работы усилителя.

 

Рис. 23.7. Перегрузка усилителя, приводящая к ограничению выходного сиг­нала.

При подаче сигнала базовый ток изменяется по синусоиде с амплитудой 20 мкА (от 0 до 40 мкА). Это приводит к изменению коллекторного тока Ic с размахом 2,8 мА и изменению коллекторного напряжения с размахом около 9 В.

С одной стороны размах входного сигнала ограничен линией Ib = 0, соответствующей отсечке транзистора (точка М на линии нагрузки), а с другой стороны – линией Ib = 40 мкА, соответствующей насыщению транзистора (точка N на линии нагрузки). Для рассматриваемого уси­лителя рабочая точка Q выбирается в середине линии нагрузки. В этом случае при подаче сигнала с амплитудой 20 мкА на базу транзистора базовый ток изменяется в пределах от 0 до 40 мкА, обеспечивая максимальную величину неискаженного выходного сигнала.

 

Рис. 23.8. Графическое представление работы усилителя с использованием пе­редаточной характеристики.

Любая попыт­ка превышения этой величины входного сигнала приводит к искажению формы выходного сигнала. Это хорошо видно на рис. 23.7, где иллюстри­руется случай перегрузки усилителя с результирующим ограничением синусоидального сигнала. Входной и выходной сигналы могут быть так­же представлены графически с помощью передаточной характеристики транзистора (рис. 23.8). Рабочий диапазон усилителя ограничен линей­ным участком характеристики передачи, выход за границы этого участка приводит к искажениям.

Добавить комментарий

Введение в конденсаторы, емкость и заряд

Конденсатор — это компонент, который имеет способность или «емкость» накапливать энергию в виде электрического заряда, создающего разность потенциалов ( статического напряжения ) на своих пластинах, что очень похоже на небольшую перезаряжаемую батарею.

Существует множество различных типов конденсаторов, от очень маленьких бусинок конденсаторов, используемых в резонансных цепях, до конденсаторов коррекции большого коэффициента мощности, но все они делают одно и то же — накапливают заряд.

В своей основной форме конденсатор состоит из двух или более параллельных проводящих (металлических) пластин, которые не соединены и не соприкасаются друг с другом, но электрически разделены либо воздухом, либо каким-либо видом хорошего изоляционного материала, такого как вощеная бумага, слюда. , керамика, пластик или жидкий гель в какой-либо форме, используемый в электролитических конденсаторах. Изолирующий слой между пластинами конденсатора обычно называют диэлектриком .

Типичный конденсатор

Из-за этого изолирующего слоя постоянный ток не может протекать через конденсатор, поскольку он блокирует его, позволяя вместо этого присутствовать на пластинах напряжения в виде электрического заряда.

Проводящие металлические пластины конденсатора могут быть квадратными, круглыми или прямоугольными, либо они могут иметь цилиндрическую или сферическую форму с общей формой, размером и конструкцией конденсатора с параллельными пластинами, в зависимости от его применения и номинального напряжения.

При использовании в цепи постоянного или постоянного тока конденсатор заряжается до напряжения питания, но блокирует прохождение тока через него, потому что диэлектрик конденсатора непроводящий и в основном является изолятором.Однако, когда конденсатор подключен к переменному току или цепи переменного тока, поток тока, кажется, проходит прямо через конденсатор с небольшим сопротивлением или без него.

Есть два типа электрических зарядов: положительный заряд в форме протонов и отрицательный заряд в форме электронов. Когда на конденсатор подается постоянное напряжение, положительный (+ ve) заряд быстро накапливается на одной пластине, в то время как соответствующий противоположный отрицательный (-ve) заряд накапливается на другой пластине.Для каждой частицы с положительным зарядом, попадающей в одну пластину, от пластины -ve отойдет заряд того же знака.

Затем пластины остаются заряженными, и между двумя пластинами возникает разность потенциалов из-за этого заряда. Когда конденсатор достигает своего установившегося состояния, электрический ток не может протекать через сам конденсатор и вокруг цепи из-за изолирующих свойств диэлектрика, используемого для разделения пластин.

Поток электронов на пластины известен как конденсаторы Зарядный ток , который продолжает течь до тех пор, пока напряжение на обеих пластинах (и, следовательно, на конденсаторе) не станет равным приложенному напряжению Vc.В этот момент говорят, что конденсатор «полностью заряжен» электронами.

Сила или скорость этого зарядного тока достигает максимального значения, когда пластины полностью разряжены (начальное состояние), и медленно уменьшается до нуля, когда пластины заряжаются до разности потенциалов на пластинах конденсатора, равной напряжению источника.

Величина разности потенциалов, присутствующей на конденсаторе, зависит от того, сколько заряда было нанесено на пластины в результате работы, выполняемой напряжением источника, а также от того, сколько емкости имеет конденсатор, что показано ниже.

Конденсатор с параллельными пластинами — это простейшая форма конденсатора. Он может быть сконструирован с использованием двух металлических пластин или пластин из металлизированной фольги, расположенных на расстоянии друг от друга, при этом значение емкости в фарадах определяется площадью поверхности проводящих пластин и расстоянием между ними. Изменение любых двух из этих значений изменяет значение его емкости, и это формирует основу работы переменных конденсаторов.

Кроме того, поскольку конденсаторы хранят энергию электронов в виде электрического заряда на пластинах, чем больше пластины и / или меньше их расстояние, тем больше будет заряд, который конденсатор удерживает при любом заданном напряжении на своих пластинах.Другими словами, чем больше пластины, тем меньше расстояние, тем больше емкость.

При подаче напряжения на конденсатор и измерении заряда на пластинах отношение заряда Q к напряжению V даст значение емкости конденсатора и, следовательно, дается как: C = Q / V это уравнение также может быть перестроен, чтобы дать знакомую формулу для количества заряда на пластинах как: Q = C x V

Хотя мы сказали, что заряд хранится на пластинах конденсатора, точнее сказать, что энергия внутри заряда хранится в «электростатическом поле» между двумя пластинами.Когда электрический ток течет в конденсатор, он заряжается, поэтому электростатическое поле становится намного сильнее, поскольку оно накапливает больше энергии между пластинами.

Аналогично, когда ток, вытекающий из конденсатора, разряжает его, разность потенциалов между двумя пластинами уменьшается, и электростатическое поле уменьшается по мере того, как энергия выходит из пластин.

Свойство конденсатора накапливать заряд на своих пластинах в форме электростатического поля называется емкостью конденсатора.Не только это, но и емкость — это свойство конденсатора, который сопротивляется изменению напряжения на нем.

Емкость конденсатора

Емкость — это электрическое свойство конденсатора и мера способности конденсатора накапливать электрический заряд на своих двух пластинах с единицей измерения емкости Фарад (сокращенно F), названной в честь британского физика Майкла Фарадея.

Емкость

определяется как емкость конденсатора Один Фарад , когда на пластинах накапливается заряд Один кулон с напряжением Один вольт .Обратите внимание, что емкость C всегда имеет положительное значение и не имеет отрицательных единиц. Однако фарад — очень большая единица измерения, которую можно использовать отдельно, поэтому обычно используются суб-кратные фарады, такие как, например, микрофарады, нанофарады и пикофарады.

Единицы измерения емкости

  • Микрофарад (мкФ) 1 мкФ = 1/1000000 = 0,000001 = 10 -6 F
  • Нанофарад (нФ) 1 нФ = 1 / 1,000,000,000 = 0,000000001 = 10 -9 F
  • Пикофарад (пФ) 1 пФ = 1/1000000000000 = 0.000000000001 = 10 -12 F

Затем, используя информацию выше, мы можем построить простую таблицу, которая поможет нам преобразовать пикофарады (пФ) в нанофарады (нФ), в микрофарады (мкФ) и в фарады (F), как показано.

Пико-Фарад (пФ) нанофарад (нФ) Микрофарад (мкФ) Фарады (ж)
1 000 1,0 0,001
10 000 10.0 0,01
1 000 000 1 000 1,0
10 000 10,0
100 000 100
1 000 000 1 000 0,001
10 000 0,01
100 000 0.1
1 000 000 1,0

Емкость параллельного пластинчатого конденсатора

Емкость конденсатора с параллельными пластинами пропорциональна площади, A в метрах 2 наименьшей из двух пластин, и обратно пропорциональна расстоянию или разделению d (т.е. толщине диэлектрика), заданной в метрах между этими двумя проводящими тарелки.

Обобщенное уравнение емкости конденсатора с параллельными пластинами имеет следующий вид: C = ε (A / d), где ε представляет собой абсолютную диэлектрическую проницаемость используемого диэлектрического материала.Диэлектрическая проницаемость, ε o , также известная как «диэлектрическая проницаемость свободного пространства», имеет значение постоянной 8,84 x 10 -12 Фарад на метр.

Чтобы упростить математику, эта диэлектрическая проницаемость свободного пространства, ε o , которую можно записать как: 1 / (4π x 9 × 10 9 ), также может иметь единицы пикофарады (пФ). на метр как постоянная величина, дающая: 8,84 для стоимости свободного пространства. Обратите внимание, что результирующее значение емкости будет в пикофарадах, а не в фарадах.

Обычно проводящие пластины конденсатора разделены каким-то изолирующим материалом или гелем, а не идеальным вакуумом. При расчете емкости конденсатора мы можем принять во внимание диэлектрическую проницаемость воздуха, особенно сухого воздуха, как то же значение, что и для вакуума, поскольку они очень близки.

Пример емкости №1

Конденсатор состоит из двух проводящих металлических пластин размером 30 см x 50 см, расположенных на расстоянии 6 мм друг от друга, и использует сухой воздух в качестве единственного диэлектрического материала.Рассчитайте емкость конденсатора.

Тогда номинал конденсатора, состоящего из двух пластин, разделенных воздухом, рассчитывается как 221 пФ или 0,221 нФ

Диэлектрик конденсатора

Помимо общего размера проводящих пластин и их расстояния или разнесения друг от друга, еще одним фактором, влияющим на общую емкость устройства, является тип используемого диэлектрического материала. Другими словами, «диэлектрическая проницаемость» (ε) диэлектрика.

Электропроводящие пластины конденсатора обычно изготавливаются из металлической фольги или металлической пленки, обеспечивающей поток электронов и заряда, но используемый диэлектрический материал всегда является изолятором. Различные изоляционные материалы, используемые в качестве диэлектрика в конденсаторе, различаются по своей способности блокировать или пропускать электрический заряд.

Этот диэлектрический материал может быть изготовлен из ряда изоляционных материалов или комбинаций этих материалов, наиболее распространенными из которых являются: воздух, бумага, полиэстер, полипропилен, майлар, керамика, стекло, масло или множество других материалов.

Фактор, на который диэлектрический материал или изолятор увеличивает емкость конденсатора по сравнению с воздухом, известен как диэлектрическая проницаемость , k , и диэлектрический материал с высокой диэлектрической проницаемостью является лучшим изолятором, чем диэлектрический материал. с более низкой диэлектрической проницаемостью. Диэлектрическая проницаемость является безразмерной величиной, поскольку она относится к свободному пространству.

Фактическая диэлектрическая проницаемость или «комплексная диэлектрическая проницаемость» диэлектрического материала между пластинами тогда является произведением диэлектрической проницаемости свободного пространства (ε o ) и относительной диэлектрической проницаемости (ε r ) материала, используемого в качестве диэлектрика. и дается как:

Комплексная разрешительная способность

Другими словами, если мы возьмем диэлектрическую проницаемость свободного пространства, ε o в качестве нашего базового уровня и сделаем ее равной единице, когда вакуум в свободном пространстве заменен каким-либо другим типом изоляционного материала, их диэлектрическая проницаемость его диэлектрика относится к базовому диэлектрику свободного пространства, давая коэффициент умножения, известный как «относительная диэлектрическая проницаемость», ε r .Таким образом, значение комплексной диэлектрической проницаемости ε всегда будет равно относительной диэлектрической проницаемости, умноженной на единицу.

Типичные единицы диэлектрической проницаемости, ε или диэлектрической проницаемости для обычных материалов: чистый вакуум = 1,0000, воздух = 1,0006, бумага = 2,5–3,5, стекло = 3–10, слюда = 5–7, дерево = 3–8 и металл. Оксидные порошки = от 6 до 20 и т. Д. Это дает нам окончательное уравнение для емкости конденсатора как:

Одним из методов увеличения общей емкости конденсатора при сохранении его небольшого размера является «чередование» большего количества пластин в одном корпусе конденсатора.Вместо одного набора параллельных пластин конденсатор может иметь множество отдельных пластин, соединенных вместе, тем самым увеличивая площадь поверхности А пластин.

Для стандартного конденсатора с параллельными пластинами, как показано выше, конденсатор имеет две пластины, обозначенные A и B. Таким образом, поскольку количество пластин конденсатора равно двум, мы можем сказать, что n = 2, где «n» представляет количество пластин.

Тогда наше уравнение выше для конденсатора с одной параллельной пластиной действительно должно быть:

Однако конденсатор может иметь две параллельные пластины, но только одна сторона каждой пластины контактирует с диэлектриком в середине, поскольку другая сторона каждой пластины образует внешнюю часть конденсатора.Если мы возьмем две половинки пластин и соединим их вместе, мы получим только «одну» целую пластину, контактирующую с диэлектриком.

Что касается конденсатора с одной параллельной пластиной, n — 1 = 2-1, что равняется 1, поскольку C = (ε o * ε r x 1 x A) / d — это в точности то же самое, что и выражение: C = (ε o * ε r * A) / d, которое является стандартным уравнением выше.

Теперь предположим, что у нас есть конденсатор, состоящий из 9 чередующихся пластин, тогда n = 9, как показано.

Многопластинчатый конденсатор

Теперь у нас есть пять пластин, подключенных к одному выводу (A) и четыре пластины к другому выводу (B).Тогда ОБЕ стороны четырех пластин, подключенных к выводу B, контактируют с диэлектриком, в то время как только одна сторона каждой из внешних пластин, подключенных к A, контактирует с диэлектриком. Тогда, как и выше, полезная площадь поверхности каждого набора пластин составляет всего восемь, и поэтому его емкость определяется как:

Современные конденсаторы можно классифицировать по характеристикам и свойствам их изоляционного диэлектрика:

  • Низкие потери, высокая стабильность, такие как слюда, керамика с низким содержанием K, полистирол.
  • Средние потери, средняя стабильность, такие как бумага, пластиковая пленка, керамика с высоким содержанием K.
  • Поляризованные конденсаторы, такие как электролитические, танталовые.

Номинальное напряжение конденсатора

Все конденсаторы имеют максимальное номинальное напряжение, и при выборе конденсатора необходимо учитывать величину напряжения, подаваемого на конденсатор. Максимальное значение напряжения, которое может быть приложено к конденсатору без повреждения его диэлектрического материала, обычно указывается в технических характеристиках как: WV (рабочее напряжение) или WV DC (рабочее напряжение постоянного тока).

Если напряжение, приложенное к конденсатору, станет слишком большим, диэлектрик выйдет из строя (известный как электрический пробой), и возникнет дуга между пластинами конденсатора, что приведет к короткому замыканию. Рабочее напряжение конденсатора зависит от типа используемого диэлектрического материала и его толщины.

Рабочее напряжение постоянного тока конденсатора — это просто максимальное напряжение постоянного тока, а НЕ максимальное напряжение переменного тока, поскольку конденсатор с номинальным напряжением постоянного тока 100 вольт постоянного тока не может безопасно подвергаться переменному напряжению 100 вольт.Поскольку переменное напряжение со среднеквадратичным значением 100 вольт будет иметь пиковое значение более 141 вольт! (√2 х 100).

Тогда конденсатор, который должен работать при 100 вольт переменного тока, должен иметь рабочее напряжение не менее 200 вольт. На практике конденсатор следует выбирать так, чтобы его рабочее напряжение постоянного или переменного тока было по крайней мере на 50 процентов больше, чем самое высокое действующее напряжение, которое должно быть к нему приложено.

Еще одним фактором, влияющим на работу конденсатора, является Утечка диэлектрика .Утечка диэлектрика происходит в конденсаторе в результате нежелательного тока утечки, протекающего через диэлектрический материал.

Обычно предполагается, что сопротивление диэлектрика чрезвычайно велико, а хороший изолятор блокирует прохождение постоянного тока через конденсатор (как в идеальном конденсаторе) от одной пластины к другой.

Однако, если диэлектрический материал повреждается из-за чрезмерного напряжения или перегрева, ток утечки через диэлектрик станет чрезвычайно высоким, что приведет к быстрой потере заряда на пластинах и перегреву конденсатора, что в конечном итоге приведет к преждевременному выходу конденсатора из строя. .Никогда не используйте конденсатор в цепи с более высоким напряжением, чем рассчитано на конденсатор, в противном случае он может нагреться и взорваться.

Общие сведения о конденсаторах

В этом руководстве мы видели, что задача конденсатора — накапливать электрический заряд на своих пластинах. Количество электрического заряда, которое конденсатор может хранить на своих пластинах, известно как значение емкости и зависит от трех основных факторов.

  • Площадь поверхности — площадь поверхности A двух проводящих пластин, составляющих конденсатор, чем больше площадь, тем больше емкость.
  • Расстояние — расстояние d между двумя пластинами, чем меньше расстояние, тем больше емкость.
  • Диэлектрический материал — тип материала, который разделяет две пластины, называемый «диэлектриком». Чем выше диэлектрическая проницаемость диэлектрика, тем больше емкость.

Мы также видели, что конденсатор состоит из металлических пластин, которые не соприкасаются друг с другом, но разделены материалом, называемым диэлектриком. Диэлектриком конденсатора может быть воздух или даже вакуум, но, как правило, он представляет собой непроводящий изоляционный материал, такой как вощеная бумага, стекло, слюда, различные типы пластмасс и т. Д.Диэлектрик дает следующие преимущества:

  • Диэлектрическая постоянная является свойством диэлектрического материала и изменяется от материала к материалу, увеличивая емкость в k раз.
  • Диэлектрик обеспечивает механическую опору между двумя пластинами, позволяя пластинам быть ближе друг к другу, не касаясь друг друга.
  • Диэлектрическая проницаемость диэлектрика увеличивает емкость.
  • Диэлектрик увеличивает максимальное рабочее напряжение по сравнению с воздухом.

Конденсаторы могут использоваться во многих различных приложениях и схемах, таких как блокировка постоянного тока при прохождении аудиосигналов, импульсов, переменного тока или других изменяющихся во времени форм волн. Эта способность блокировать токи постоянного тока позволяет использовать конденсаторы для сглаживания выходных напряжений источников питания, чтобы удалить нежелательные выбросы из сигналов, которые в противном случае имели бы тенденцию вызывать повреждение или ложное срабатывание полупроводников или цифровых компонентов.

Конденсаторы

также можно использовать для регулировки частотной характеристики аудиосхемы или для соединения отдельных каскадов усилителя, которые должны быть защищены от передачи постоянного тока.

При постоянном токе конденсатор имеет бесконечное сопротивление (разомкнутая цепь), на очень высоких частотах конденсатор имеет нулевое сопротивление (короткое замыкание). Все конденсаторы имеют максимальное рабочее напряжение, его WV DC, поэтому выбирайте конденсатор с номиналом как минимум на 50% больше, чем напряжение питания.

Существует большое разнообразие стилей и типов конденсаторов, каждый из которых имеет свои преимущества, недостатки и характеристики. Включение всех типов сделало бы этот раздел учебника очень большим, поэтому в следующем учебном пособии «Введение в конденсаторы» я ограничу их наиболее часто используемыми типами.

Роль конденсатора в электронных компонентах?

Идеальный партнер для электроники

В большинстве электронных устройств используются конденсаторы, которые являются бесценной частью электронных продуктов. Конденсаторы очень популярны во многих приложениях, таких как электронные схемы, силовые цепи и блоки питания.
Конденсатор упоминается как «Большая тройка пассивных компонентов» вместе с сопротивлением и катушкой, которые составляют основу электронных схем.Пассивные компоненты — это электронная часть, которая получает энергию для потребления, хранения и поставки.

В отличие от интегральных схем (IC), у него нет активной операции, когда низкая мощность усиливается для постоянного вывода мощности. Вы также можете рассматривать конденсатор как простую деталь для приема и подачи электричества. Однако, что более важно, такие пассивные компоненты являются незаменимыми частями для точной работы активных компонентов.

Три пассивных компонента также называются LCR, что означает катушка, конденсатор и сопротивление.

Состоит из двух металлических пластин и изолятора, базовая модель конденсатора

[Рис.1] Основная структура конденсатора

Конденсатор в основном состоит из изолятора и двух металлических пластин, которые прикреплены с обеих сторон изолятора. Изоляторы не проводят ток. Изолятор, используемый для конденсаторов, называется диэлектриком. Пока электричество течет, положительный и отрицательный заряды переносятся внутри проводника.

Заряженный электричеством, поток заряда запускается, но он блокируется, поскольку между металлическими пластинами находится изолятор.Затем заряды накапливаются только на одной из двух металлических пластин. Между тем, другая металлическая пластина, прикрепленная к изолятору, имеет противоположный заряд.

Таким образом, конденсаторы имеют структуру для хранения электричества между двумя металлическими пластинами. В качестве изоляционных материалов используются газы, масла, керамика и смолы. Что касается форм металлических пластин, существует большое разнообразие типов с параллельными пластинами, пленкой, многослойной и т. Д. Количество накопленных зарядов, а также поддерживаемые частоты различаются в зависимости от типов изоляторов или конструкции конденсаторов.Итак, необходимо выбрать подходящий конденсатор, отвечающий вашим требованиям.

Значение конденсаторов

В принципе конденсаторы состоят из двух важных частей.

  1. Накопление электрического заряда (электричества)
  2. переменный ток, но не постоянный ток

Подробнее о хранении электроэнергии см. В вышеупомянутой базовой конструкции конденсатора.
Поскольку электрический заряд накапливается между металлическими пластинами, передача электрического заряда прекращается, и постоянный ток перестает течь.Однако, другими словами, до тех пор, пока конденсаторы не будут полностью заряжены, даже постоянный ток может протекать в течение короткого периода времени. В случае переменного тока направление тока переключается с определенным интервалом, а затем конденсатор заряжается и разряжается. Таким образом, электричество выглядит как проходящее через конденсатор.
Соответственно, чем выше частота переменного тока, тем легче проходит через конденсаторы. Таким образом, конденсаторы играют в электронной схеме следующие три важные роли.

1) Зарядка и разрядка электрических зарядов

Конденсаторы могут заряжаться и разряжаться благодаря своей конструкции.Конденсаторы, обладающие электрическим зарядом и разрядом, также могут использоваться в качестве источника питания. Вспышки камеры используют эту особенность конденсаторов.
Для того, чтобы излучение было сильным, к нему должно быть немедленно приложено высокое напряжение. Между тем, такое высокое напряжение в цепи для работы камеры не требуется. Кроме того, имеется подходящая конструкция конденсатора, в которой такое высокое световое излучение обеспечивается мгновенной разрядкой электрического заряда, накопленного в конденсаторе.

2) Поддержание напряжения на прежнем уровне

Помимо вышеупомянутой особенности, конденсаторы также имеют функции для поддержания напряжения на определенном уровне.Конденсаторы полезны для уменьшения пульсации напряжения. Когда на параллельную цепь подается высокое напряжение, конденсатор заряжается, а с другой стороны, он разряжается низким напряжением.
В то время как электричество выходит переменным током, большинство электронных схем работает с постоянным током. Следовательно, переменный ток преобразуется в постоянный ток через схему выпрямителя, которая преобразует переменный ток в постоянный, но преобразованный постоянный ток представляет собой нестабильный ток с пульсациями на этой стадии. Чтобы справиться с этим, используется конденсатор для коррекции пульсаций и постоянного поддержания напряжения.

3) Удаление шума

Что касается шумоподавления, то функция конденсатора, пропускающего переменный ток, но постоянный ток, полезна для удаления шума. В общем, поскольку шум в постоянном токе является высокочастотной составляющей переменного тока, он имеет тенденцию легко проходить через конденсатор.
Путем вставки ответвленной цепи между входом и выходом формируется земля для подключения к конденсатору. После этого переменная составляющая проходит только через конденсатор, а затем постоянный ток течет в выходной цепи.

Типы конденсаторов

Алюминиевый электролитический конденсатор
Конденсатор изготовлен из алюминия и другого металла. Поскольку оксидная пленка блокирует электричество, она используется в качестве диэлектрического материала, образуя поверхность алюминия. Конденсаторы этого типа обладают большой емкостью по доступной цене. Поэтому он широко используется в качестве конденсатора большой емкости. Однако у него есть некоторые слабые места, такие как плохие частотные характеристики, больший размер, потеря диэлектрика из-за утечки жидкости.
Танталовый конденсатор
Конденсатор использует тантал в качестве анода и пятиокись тантала в качестве диэлектрического материала. Он имеет относительно большую емкость и меньше по размеру, чем алюминиевый электролитический конденсатор. Кроме того, конденсатор превосходит алюминиевый конденсатор по характеристикам тока утечки, частотным характеристикам, конденсаторам и температурным характеристикам.
Электрический двухслойный конденсатор
Конденсаторы с двойным электрическим слоем имеют чрезвычайно большую емкость.Он более чем в 1000–10 000 раз превосходит алюминиевые электролитические конденсаторы, и его можно использовать повторно в течение длительного периода без ограничений, таких как количество циклов заряда / разряда. Благодаря уникальной особенности конденсатор можно использовать многократно. Конденсаторы с двойным электрическим слоем имеют электрические заряды, ориентированные на границе электролита и электрода, который называется «двойным электрическим слоем» и имеет размер одной молекулы. Слой используется в качестве диэлектрического материала конденсаторов с двойным слоем.Цена на конденсаторы с двойным электрическим слоем относительно высока по сравнению с другими.
Керамический конденсатор
Конденсаторы в основном делятся на три типа в зависимости от типа керамики, используемой в качестве диэлектрического материала: тип с низкой диэлектрической проницаемостью, тип с высокой диэлектрической проницаемостью и тип полупроводника. Основная особенность конденсатора заключается в том, что увеличение напряжения приводит к изменению его емкости. Небольшой конденсатор термостойкий, хотя он хрупкий и может быть поврежден или сломан.
Пленочный конденсатор
В этом типе пленки, такие как полиэстер и полиэтилен, используются в качестве диэлектрического материала.Полиэфирные, полипропиленовые и другие пленки помещаются между электродной фольгой с обеих сторон, и они наматываются в цилиндрическую форму. Неполярный конденсатор, который больше керамического, имеет высокое сопротивление изоляции и отсутствие электрических потерь. Он также обеспечивает высокую надежность с отличными частотными и температурными характеристиками.
Конденсатор слюдяной
В качестве диэлектрического материала конденсатора используется слюда — природный минерал. Слюда идеально подходит для конденсатора, так как обладает высокими диэлектрическими свойствами и может сниматься.Слюдяные конденсаторы обладают превосходными характеристиками, такими как сопротивление изоляции, тангенс угла диэлектрических потерь, частотные и температурные характеристики, хотя есть некоторые недостатки в том, что они дороги и имеют большой размер.
Для получения дополнительной информации о типах конденсаторов перейдите по ссылке ниже.
Типы конденсаторов. Базовые знания компонентов

Соответствующие технические знания

Конденсатор

Области применения и применения »Электроника

Особенно важно выбрать правильный конденсатор или любое конкретное приложение — понимание ключевых требований для любого конкретного применения конденсатора или использования конденсатора обеспечит правильную работу схемы.


Capacitor Tutorial:
Использование конденсатора Типы конденсаторов Электролитический конденсатор Керамический конденсатор Танталовый конденсатор Пленочные конденсаторы Серебряный слюдяной конденсатор Супер конденсатор Конденсатор SMD Технические характеристики и параметры Как купить конденсаторы — подсказки и подсказки Коды и маркировка конденсаторов Таблица преобразования


Конденсаторы используются практически во всех областях электроники и выполняют множество различных задач.Несмотря на то, что конденсаторы работают одинаково, независимо от их применения или использования, конденсаторы могут использоваться в схемах по-разному.

Для того, чтобы выбрать правильный тип конденсатора, необходимо иметь представление о конкретном применении конденсатора, чтобы его свойства можно было сопоставить с конкретным применением, для которого он будет использоваться.

У каждой формы конденсатора есть свои собственные атрибуты, и это означает, что он будет хорошо работать при использовании или применении конденсатора с твердыми частицами.

Выбор подходящего конденсатора для конкретного применения является частью процесса проектирования схемы. Использование неправильного конденсатора может легко означать, что схема не будет работать.

Применение конденсатора и схема

Конденсаторы

могут использоваться в электронных схемах по-разному. Хотя их режим работы остается точно таким же, различные формы конденсаторов могут использоваться для обеспечения множества различных функций схемы.

Для различных схем потребуются конденсаторы с определенными номиналами, а также с другими атрибутами, такими как допустимый ток, диапазон значений, точность значений, температурная стабильность и многие другие аспекты.

Некоторые типы конденсаторов будут доступны в разных номиналах, некоторые конденсаторы могут иметь большие диапазоны значений, другие — меньшие. Другие конденсаторы могут иметь высокие токи, другие — высокий уровень стабильности, а другие по-прежнему доступны с очень низкими значениями температурного коэффициента.

Понимание различных способов использования конденсаторов помогает выбрать лучший тип конденсатора для конкретного применения.

Выбрав правильный конденсатор для конкретного использования или применения, можно добиться максимальной производительности схемы.

Использование конденсатора связи

В этом конденсаторе компонент позволяет только сигналам переменного тока проходить от одной секции схемы к другой, блокируя любое статическое напряжение постоянного тока. Такая форма применения конденсатора часто требуется при соединении двух каскадов усилителя вместе.

Возможно, что постоянное напряжение постоянного тока будет присутствовать, скажем, на выходе одного каскада, и будет присутствовать только переменный сигнал, звуковая частота, радиочастота или что-то еще, что требуется.Если бы составляющие постоянного тока сигнала на выходе первого каскада присутствовали на входе второго, то смещение и другие рабочие условия второго каскада изменились бы.

Транзисторная схема с входными и выходными разделительными конденсаторами

Даже при использовании операционных усилителей, схема которых была разработана для обеспечения малых напряжений смещения, часто бывает разумно использовать разделительные конденсаторы из-за наличия высоких уровней усиления постоянного тока. Без разделительного конденсатора высокие уровни усиления по постоянному току могут означать, что операционный усилитель перейдет в режим насыщения.

Для конденсаторов такого типа необходимо обеспечить достаточно низкое полное сопротивление конденсатора. Обычно выходной импеданс предыдущей цепи выше, чем тот, который она управляет, за исключением ВЧ-цепи, но об этом позже. Это означает, что значение конденсатора выбирается таким же, как полное сопротивление цепи, обычно входное сопротивление второй цепи. Это дает падение отклика на 3 дБ на этой частоте.

Важные параметры для конденсатора связи
Параметр Указания по использованию конденсатора
Номинальное напряжение конденсатора Должно быть больше пикового напряжения на конденсаторе.Обычно конденсатор может выдерживать напряжение на шине питания с запасом для обеспечения надежности.
Значение емкости Достаточно высокий, чтобы передавать самые низкие частоты с небольшим затуханием или без него.
Допуск Часто можно использовать конденсаторы с широким допуском, потому что точное значение не имеет значения.
Диэлектрик Некоторые конденсаторы, например электролитические, имеют ограниченную частотную характеристику, часто только до частот около 100 кГц максимум.Это следует учитывать. Также для приложений с высоким импедансом не следует использовать электролитические конденсаторы, поскольку они имеют относительно высокий уровень утечки, который может нарушить работу второй ступени.

Использование развязывающего конденсатора

В этом приложении конденсатор используется для удаления любых сигналов переменного тока, которые могут быть в точке смещения постоянного тока, шине питания или другом узле, который должен быть свободен от конкретного изменяющегося сигнала.

Как указывает название этого конденсатора, он использовался для развязки узла от изменяющегося на нем сигнала.

Схема транзистора с развязывающими конденсаторами линии и коллектора

В этой схеме есть два способа использования конденсатора для развязки. C3 используется для развязки любого сигнала, который может быть на шине напряжения. Конденсатор этого типа должен выдерживать напряжение питания, а также обеспечивать и поглощать уровни тока, возникающие из-за шума на шине. Также во время выключения, когда питание отключено, этот конденсатор может потреблять большой ток в зависимости от его значения.Танталовые конденсаторы для этой позиции не подходят.

Развязка также обеспечивается комбинацией конденсатора и резистора C4, R5. Это гарантирует, что коллекторный сигнал не просочится на сигнальную шину. Постоянная времени C4 и R5 обычно является доминирующим фактором, и постоянная времени должна быть выбрана больше, чем ожидаемая самая низкая частота.

Тип развязки, используемый с C5, служит для хорошей изоляции этого конкретного каскада от любого шума на шине, а также предотвращения передачи шума от цепи на шину питания.Во время отключения ток конденсатора ограничивается резистором R5.

Важные параметры для использования развязывающего конденсатора
Параметр Указания по использованию конденсатора
Номинальное напряжение конденсатора Должно быть больше пикового напряжения на конденсаторе. Обычно конденсатор может выдерживать напряжение узла с некоторым запасом для обеспечения надежности.
Значение емкости Достаточно высокий, чтобы передавать самые низкие частоты с небольшим затуханием или без него.Иногда это может привести к тому, что требуются относительно большие значения. Однако необходимо учитывать используемые частоты. Для низких частот обычно требуются большие уровни емкости, и часто используются электролитические конденсаторы. Если это слаботочная цепь, как в случае C4, R5, танталовый конденсатор также может быть подходящим, но обычно он изолирован от шины основного напряжения через последовательный резистор, чтобы предотвратить потребление слишком большого тока, как в случае C4. Для более высоких частот также могут быть уместны керамические конденсаторы.
Допуск Часто можно использовать конденсаторы с широким допуском, потому что точное значение не имеет значения.
Диэлектрик Некоторые конденсаторы, такие как электролитические конденсаторы, имеют относительно низкий верхний предел частоты. Часто, чтобы преодолеть это, конденсатор, такой как керамический конденсатор с меньшим номиналом, может использоваться для обеспечения высокочастотной характеристики, в то время как электролитический конденсатор большего номинала используется для пропускания более низкочастотных компонентов.Керамический или другой конденсатор более низкого номинала по-прежнему имеет низкий импеданс на более высоких частотах, потому что реактивное сопротивление обратно пропорционально частоте.

ВЧ-соединения и развязка

ВЧ связь и развязка следуют тем же основным правилам, что и для обычных конденсаторов связи и развязки. Часто используются схемы, подобные показанным для стандартной связи и развязки, и они работают в основном одинаково.

Однако при использовании конденсаторов для ВЧ приложений необходимо учитывать их ВЧ характеристики. Это может отличаться от производительности на более низких частотах.

Обычно электролитические конденсаторы не используются — их характеристики падают с увеличением частоты, и они редко используются для приложений с частотой выше примерно 100 кГц. Керамические конденсаторы особенно популярны, поскольку они обладают хорошими ВЧ-характеристиками, особенно конденсаторы MLCC для поверхностного монтажа.

Последовательная индуктивность, присутствующая во всех конденсаторах, в большей или меньшей степени проявляется на некоторых частотах, образуя резонансный контур с емкостью.

Обычно керамические конденсаторы имеют высокую собственную резонансную частоту, особенно конденсаторы для поверхностного монтажа, которые очень малы и не имеют выводов, создающих индуктивность.

Могут быть использованы некоторые другие типы конденсаторов, но керамические конденсаторы наиболее широко используются в этом приложении.

Применения сглаживающего конденсатора

Фактически это то же самое, что и разделительный конденсатор, но этот термин обычно используется в связи с источником питания.

Когда входящий линейный сигнал проходит через трансформатор и выпрямитель, результирующая форма волны не является гладкой.Оно варьируется от нуля до пикового напряжения. При применении к цепи маловероятно, что это сработает, поскольку обычно требуется постоянное напряжение. Чтобы преодолеть это, используется конденсатор для развязки или сглаживания выходного напряжения.

Схема выпрямителя со сглаживающим конденсатором

При таком использовании конденсатор заряжается, когда пиковое напряжение превышает выходное напряжение, и обеспечивает заряд, когда напряжение выпрямителя падает ниже напряжения конденсатора.

В этом конденсаторе компонент развязывает шину и подает заряд там, где это необходимо.

Обычно требуются относительно большие значения емкости, чтобы обеспечить необходимый уровень тока. В результате наиболее широко используемой формой конденсатора для этого приложения является электролитический конденсатор.

Важные параметры для сглаживающего конденсатора
Параметр Указания по использованию конденсатора
Номинальное напряжение конденсатора Должно быть больше пикового напряжения на конденсаторе.Конденсатор должен выдерживать максимальное пиковое напряжение шины с некоторым запасом для обеспечения надежности.
Значение емкости Зависит от требуемого тока, но обычно может составлять несколько тысяч микрофарад.
Допуск Часто можно использовать конденсаторы с широким допуском, потому что точное значение не имеет значения.
Диэлектрик Электролитические конденсаторы обычно используются из-за их высокой стоимости.Танталовые конденсаторы, хотя они могут иметь достаточно высокие значения, не подходят из-за низкого уровня тока пульсаций, которые они могут выдерживать. Керамические конденсаторы не доступны с требуемым уровнем емкости.
Пульсации тока В дополнение к конденсатору, имеющему достаточную емкость, чтобы удерживать необходимое количество заряда, он также должен быть сконструирован таким образом, чтобы обеспечивать необходимый ток. Если конденсатор становится слишком горячим при подаче тока, он может выйти из строя.Номинальные значения пульсирующего тока особенно важны для конденсаторов, используемых для сглаживания. Обычно используются электролитические конденсаторы, но даже для них необходимо проверить соответствие номинального тока пульсации.

Использование конденсатора в качестве элемента синхронизации

В этом приложении конденсатор может использоваться с резистором или катушкой индуктивности в резонансной или зависимой от времени цепи. В этой функции конденсатор может присутствовать в фильтре, схеме настройки генератора или в элементе синхронизации для схемы, такой как a-stable, время, необходимое для зарядки и разрядки, определяющее работу схемы

. Генераторы и фильтры

LC или RC широко используются во множестве схем, и, очевидно, одним из основных элементов является конденсатор.

В данном конкретном случае использования конденсатора одним из основных требований является точность, и поэтому начальный допуск важен для обеспечения того, чтобы схема работала на требуемой частоте. Температурная стабильность также важна для обеспечения того, чтобы рабочие характеристики контура оставались неизменными в требуемом диапазоне температур.

Важные параметры для временного использования конденсатора
Параметр Указания по использованию конденсатора
Номинальное напряжение конденсатора Фактическое пиковое напряжение на конденсаторе будет варьироваться в зависимости от конкретной цепи и напряжения шины.Необходимо оценивать каждый случай по существу, отмечая, что в некоторых случаях оно может быть выше ожидаемого. В большинстве случаев превышение напряжения на шине маловероятно.
Значение емкости Зависит от используемых частот и от катушки индуктивности или резистора, необходимых для получения требуемой рабочей частоты.
Допуск Обычно требуется строгий допуск для обеспечения требуемой рабочей частоты.В этом приложении конденсаторы с хорошим выбором значений в пределах каждой декады могут быть преимуществом.
Диэлектрик Во многих приложениях для синхронизации важны потери в конденсаторе. Высокие потери равны низкому Q, и значения Q обычно должны быть как можно более высокими. Есть много диэлектриков, обеспечивающих подходящий уровень производительности. Многие керамические диэлектрики конденсаторов в наши дни способны обеспечить высокий уровень стабильности. Конденсаторы с пластиковой пленкой также обладают высокими характеристиками.Серебряные слюдяные конденсаторы также используются, особенно в ВЧ-цепях. Хотя эти серебряные слюдяные конденсаторы довольно дороги, они обладают высокими характеристиками: высокая добротность; высокая стабильность; низкие потери; и жесткая толерантность.
Температурная стабильность Температурная стабильность конденсатора должна быть высокой для этих конденсаторных применений, потому что схема должна будет сохранять свою частоту в диапазоне рабочих температур. Если значение изменяется в зависимости от температуры, даже на небольшую величину, это может заметно повлиять на работу контура.

Применения удерживающего конденсатора

В этом конкретном применении конденсатора заряд, удерживаемый конденсатором, используется для обеспечения питания цепи на короткое время.

В прошлом могли использоваться небольшие перезаряжаемые батареи, но они часто страдали от проблем с памятью и ограничением срока службы, поэтому конденсаторы могут стать жизнеспособной альтернативой.

В настоящее время суперконденсаторы обладают огромными уровнями емкости, и теперь они достаточно велики, чтобы позволить многим схемам оставаться под напряжением в периоды отсутствия сетевого питания.Они относительно дешевы и предлагают отличный уровень производительности.

Суперконденсаторы
Важные параметры для удерживающего конденсатора
Параметр Указания по использованию конденсатора
Номинальное напряжение конденсатора Должен выдерживать максимальное рабочее напряжение с хорошим запасом надежности.
Значение емкости Может быть до нескольких фарад.
Допуск , широко используемые в конденсаторах, имеют большой допуск.К счастью, это не проблема, поскольку это в первую очередь влияет на время, в течение которого может поддерживаться задержка.
Суперконденсаторы часто используются для аккумуляторов

Варианты применения конденсаторов

Выбор конденсатора часто важен для работы схемы. Знание того, как будет использоваться конденсатор и как его характеристики и параметры связаны с работой схемы, означает, что некоторые конденсаторы работают лучше, чем другие, в различных приложениях.Выбор подходящего конденсатора для любого конкретного применения является важной и очень важной частью схемы.

Другие электронные компоненты: Резисторы
Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Конденсаторы в схемах

  • Решить расчет схемы конденсатора
  • • Конденсаторы серии
  • • Конденсаторы параллельно

Последовательные конденсаторы.

Подобно резисторам и индукторам, конденсаторы можно подключать последовательно, параллельно или последовательно-параллельно.Последовательное размещение конденсаторов эффективно увеличивает толщину диэлектрика и, таким образом, снижает общую емкость. Поскольку общая емкость обратно пропорциональна расстоянию между пластинами, формула, которую мы используем для конденсаторов в СЕРИИ:

Обратите внимание, что напряжение на каждом конденсаторе будет обратно пропорционально емкости, при этом общее напряжение распределяется между конденсаторами, наименьшая емкость имеет наибольшее напряжение на ней, а наибольшая емкость имеет наименьшее напряжение и т. Д.

Конденсаторы параллельно.

При параллельном подключении конденсаторов площадь пластин эффективно увеличивается, поэтому общая емкость определяется суммой отдельных емкостей;

Все конденсаторы заряжаются до одинакового напряжения.

Обратите внимание, что при использовании этих формул значения должны быть введены в формулу в их БАЗОВЫХ ЕДИНИЦАХ, т.е. ФАРАДЫ (не мкФ), кулоны (не мкКл) и ВОЛЬТЫ (не мВ).

Кратко 47 нФ; (наноФарады) вводится как; 15 EXP-09 и 25mC (милликулонов) вводятся как; 25 ЕХР-03 и т. Д.Проще всего это сделать с помощью научного калькулятора.

Попробуйте вычислить общую емкость некоторых последовательных и параллельных цепей

Примеры последовательной и параллельной цепей

.

Справка по математике

Нужна помощь с математикой электроники? Загрузите наш полезный буклет с советами по покупке и использованию научного калькулятора, а также по определению всех этих значений электроники. Неоценимая помощь в математике электроники в этом модуле!

Учебное пособие по конденсатору

: работа и использование в схемах

Конденсаторы

— один из наиболее часто используемых компонентов в электронных схемах.Будет справедливо сказать, что практически невозможно найти работающую схему без использования конденсатора. Это руководство написано, чтобы дать хорошее представление о работе конденсаторов и их использовании в практических схемах. В этом руководстве рассматриваются три важных вопроса о конденсаторах, которые могут возникнуть у новичка.

  1. Что такое конденсатор?
  2. Работа конденсатора?
  3. Как использовать конденсаторы в схемах?

К концу этого руководства вы лучше поймете принцип работы конденсаторов.Также из этого туториала Вы узнаете, как использовать конденсатор в практических схемах. Вы можете ознакомиться с предыдущим учебным пособием «Резисторы: работа и использование в схемах»

.

ЧТО ТАКОЕ КОНДЕНСАТОР:

Конденсатор — один из пассивных компонентов (не может генерировать энергию самостоятельно) в электронике. Этот конденсатор способен накапливать в нем электрический заряд, что приводит к развитию напряжения или, другими словами, потенциальной энергии на его выводах. Проще говоря, это похоже на аккумулятор, но он может сохранять заряд только временно.Чтобы сделать вещи интересными, он по-разному реагирует на постоянный ток (постоянный ток), чем на переменный (переменный ток). Мы объясним это далее в разделе «Работа с конденсатором», а теперь давайте посмотрим, как устроен конденсатор.

ВНУТРИ КОНДЕНСАТОРА:

Конструкция конденсатора довольно проста. Он состоит из двух проводящих пластин, подобных тем, что показаны на диаграмме выше (пластина 1 и пластина 2), где эти две пластины разделены небольшим расстоянием и с изоляторами между ними, также известными как диэлектрики.Это очень похоже на сэндвич, где у нас есть две проводящие пластины и изолирующий материал или диэлектрик, зажатый между ними.

Каждая крышка имеет определенную емкость. Мы уже знаем, что конденсатор способен накапливать электрический заряд на своих пластинах. Эта емкость определяет максимальное количество заряда, которое он может хранить. Чем больше пластины и меньше расстояние между ними, тем выше будет значение емкости. Эта емкость определяется формулой

.

C = Q / V

, где Q — количество заряда, а V — напряжение, приложенное к нему.

ФАРАДОВ:

Таким образом, каждый конденсатор имеет определенное значение емкости. Единица измерения емкости измеряется в фарадах. Когда мы указываем значение емкости как 1 фарад, это означает, что конденсатор удерживает заряд в 1 кулон на своих проводящих пластинах, когда на его выводы подается одно напряжение.

РАБОТА КОНДЕНСАТОРА:

А теперь пора глубже погрузиться в работу конденсатора. Как указано выше, конденсатор действует иначе, чем переменный и постоянный ток.

КОНДЕНСАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА:

Давайте сначала рассмотрим DC и посмотрим, как он реагирует на DC.Первоначально конденсатор будет в разряженном состоянии, что означает, что на его пластинах будет нулевой заряд. Когда на его клеммы подается постоянное напряжение, ток течет и заряжает его. Первоначальный поток этого зарядного тока через конденсатор будет очень высоким. Это приводит к накоплению положительного заряда на одной пластине и отрицательного заряда на другой пластине. По мере увеличения заряда на пластинах конденсатора зарядный ток постепенно уменьшается из-за накопления заряда на пластинах конденсатора, и он сопротивляется протеканию тока.Также заряд, накопленный на пластинах, создает разность потенциалов на пластинах.

Поток зарядного тока продолжает заряжать конденсатор до тех пор, пока развиваемое напряжение не сравняется с приложенным к нему напряжением. В этот момент зарядный ток перестает течь из-за развиваемого напряжения на конденсаторе. В этом случае конденсатор полностью заряжен положительным зарядом на одной пластине, а эквивалентный отрицательный заряд существует на другой. Напряжение, развиваемое на конденсаторе, обычно обозначается как Vc.Конденсатор будет удерживать это напряжение Vc до тех пор, пока на нем не появится напряжение. Как только подача напряжения прекращается, через конденсатор начинает течь разрядный ток. В этот момент напряжение Vc начинает падать, и заряд, накопленный на его пластинах, уменьшается.

Через некоторое время ток разряда замедляется, в этот момент скорость, с которой также замедляется падение напряжения. Через некоторое время напряжение конденсатора Vc достигнет нуля, и заряд, накопленный на его пластинах, станет нулевым.Это состояние называется состоянием разряда конденсатора. Теперь вы можете понять причину, по которой мы сравнили конденсатор с батареей.

КОНДЕНСАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА:

Как было сказано ранее, конденсатор по-разному реагирует при подаче переменного напряжения. При подаче постоянного напряжения конденсатор заряжается только в одном направлении. Однако, когда применяется переменный ток, конденсатор заряжается и разряжается поочередно в зависимости от его частоты. И поэтому с переменным напряжением конденсатор будет продолжать пропускать ток через него бесконечно, в отличие от постоянного тока, где конденсатор блокирует ток по прошествии определенного периода времени.

Здесь интересно то, что зарядный ток и ток разряда через конденсатор при воздействии переменного напряжения зависят от изменения напряжения, приложенного к его пластинам. Ток, протекающий в конденсаторе при подаче переменного тока, имеет тенденцию опережать напряжение на 90 °. Взгляните на график ниже.

Считайте, что переменное напряжение подается на конденсатор, начальное напряжение будет минимальным, а в этот момент зарядный ток будет максимальным, как вы можете видеть на приведенном выше графике.Когда напряжение достигнет пикового значения, зарядный ток будет равен нулю. После достижения пикового значения напряжение начнет уменьшаться, и ток разряда также начнет течь от конденсатора. Когда напряжение переменного тока достигает нулевого значения, завершая положительный полупериод сигнала, ток разряда будет максимальным. Как только сигнал начинается с отрицательного цикла, ток разряда постепенно начинает уменьшаться и достигает нуля, когда напряжение достигает максимума в отрицательном полупериоде. Таким образом, мы можем сделать вывод, что ток опережает напряжение на 90 ‘или напряжение отстает от тока на 90 ° в цепях переменного тока.Обычно это описывается как не совпадающие по фазе напряжение и ток.

РЕАКТИВНОСТЬ ЕМКОСТИ:

Еще одна важная вещь, которую нужно знать о конденсаторах в цепях переменного тока, заключается в том, что они обеспечивают сопротивление току, протекающему в цепях переменного тока. Это относится к реактивному сопротивлению, а точнее к емкостному реактивному сопротивлению. Это реактивное сопротивление определяется формулой

.

Xc = 1 / 2πFC или 1 / ωC (ω = 2πF)

Из приведенной выше формулы мы можем вывести, что емкостное реактивное сопротивление уменьшается с увеличением частоты сигнала переменного тока и емкости конденсатора.Когда частота сигнала высока или близка к Inifinity, реактивность будет близка к нулю. Здесь конденсатор действует как идеальный проводник. Кроме того, когда частота сигнала переменного тока становится меньше или близка к нулю, реактивное сопротивление будет очень высоким, и оно будет действовать как очень большое сопротивление или разрыв цепи для входящего сигнала.

ПРИМЕНЕНИЕ КОНДЕНСАТОРА:

Теперь, когда мы поняли, что такое конденсатор и как он работает. Давайте перейдем к самому важному разделу этой статьи «Применение конденсатора».

РАЗЪЕМНЫЙ КОНДЕНСАТОР:

Это конденсаторы, которые очень важно использовать во всех цифровых схемах. Цифровым микросхемам или микросхемам для работы в идеале требуется стабильное напряжение. Любые всплески или колебания напряжения могут привести к неработоспособности микросхемы, а иногда микросхема может быть разрушена. Именно здесь в игру вступает развязывающий конденсатор. Это конденсаторы, которые обычно устанавливаются рядом с микросхемами, соединяющими выводы VCC и GND микросхемы, как показано на приведенной выше принципиальной схеме.

Когда схема включена, развязка Конденсатор начинает заряжаться через Vcc и прекращает зарядку, когда напряжение Конденсатора достигает подаваемого напряжения. В этот момент, когда есть колебания напряжения питания, конденсатор будет подавать питание на ИС в течение короткого периода времени, чтобы поддерживать стабильное напряжение на ИС. Также при скачке входного напряжения питания конденсатор начинает заряжаться до нового напряжения питания. Это при этом поддерживает стабильное напряжение на входе IC1. В больших схемах с большим количеством ИС часто советуют использовать большой конденсатор рядом с источником питания и малый конденсатор рядом с каждой ИС, используемой в цепи.Большой конденсатор будет обеспечивать стабильное напряжение по всей цепи. Маленькие колпачки удовлетворяют потребности используемых с ними микросхем.

КОНДЕНСАТОР МУФТЫ:

Мы видели, что развязывающие конденсаторы используются для блокировки колебаний напряжения или, другими словами, они помогают блокировать сигналы переменного тока, поскольку колебания или падение напряжения являются формой сигнала переменного тока, поскольку напряжение сигнала изменяется со временем. Конденсатор связи, с другой стороны, блокирует сигнал постоянного тока, позволяя проходить сигналу переменного тока.Другими словами, эти конденсаторы используются для соединения или связи входного сигнала переменного тока со следующим этапом схемы путем блокировки нежелательных сигналов постоянного тока.

Эти конденсаторы широко используются в усилителях и аудио приложениях, где нас интересуют только сигналы переменного тока. Возьмем, к примеру, звуковую цепь, питаемую от источника постоянного тока напряжением 9 В. Схема принимает голосовой ввод с микрофона, и этот голосовой ввод (сигнал переменного тока) является нашей достопримечательностью. Существует большая вероятность того, что сигнал постоянного тока от источника питания 9 В может смешаться с этим входным голосовым сигналом.И чтобы исключить этот элемент постоянного тока из нашего голосового входа, используется конденсатор связи C1 (показанный на схеме выше), где он блокирует сигнал постоянного тока и пропускает сигнал с переменной частотой. Помните, мы узнали, что конденсатор предлагает очень высокое сопротивление или блокирует сигнал постоянного тока.

Не только постоянный ток, при правильном выборе значений конденсатора мы можем успешно блокировать нежелательные низкие частоты и разрешать только желаемые высокие частоты. Это регулируется реактивным сопротивлением конденсатора, которое задается формулой Xc = 1 / 2πFC (мы видели это ранее в этом руководстве).Помните, мы уже знаем, что конденсатор обеспечивает высокую реактивность на низких частотах, тогда как для высоких частот значение реактивного сопротивления будет низким. Поэтому для того, чтобы конденсатор связи допускал низкочастотные сигналы, нам необходимо использовать конденсаторы более высоких значений, а для высокочастотных сигналов будет достаточно более низких значений конденсаторов.

ФИЛЬТРЫ:

Это схемные блоки, используемые для фильтрации нежелательных частот из входного сигнала. Конденсаторы являются неотъемлемой частью конструкции фильтров наряду с резисторами и индукторами.Фильтры имеют расширенные функциональные возможности, чем разделительные конденсаторы. В основном есть три разных типа фильтров, о которых вам нужно знать.

ФИЛЬТР НИЗКОГО ПРОХОДА:

Фильтры нижних частот используются для разрешения частотных составляющих ниже частоты среза и блокируют частотные составляющие выше этой. Вот как это работает, когда входящий сигнал имеет низкую частоту. Конденсатор демонстрирует высокое реактивное сопротивление (высокое сопротивление) по сравнению с резистором. Следовательно, напряжение на конденсаторе будет очень высоким по сравнению с падением напряжения на резисторе.Таким образом, мы получим входящий сигнал без ослабления или с низким затуханием. Между тем, когда входящий сигнал имеет высокую частоту, реактивное сопротивление конденсатора будет низким. Таким образом, падение напряжения на резисторе будет очень большим по сравнению с напряжением конденсатора, что не позволит сигналу достичь следующего каскада.

ФИЛЬТР ВЫСОКОГО ПРОХОДА:

Это фильтры, которые пропускают только сигнал с частотами выше частоты среза и блокируют сигнал с более низкими частотами. Здесь происходит то, что входящий сигнал имеет низкую частоту. Конденсатор демонстрирует высокое реактивное сопротивление и действует как разомкнутая цепь для сигнала.С другой стороны, когда входящий сигнал высокочастотного конденсатора показывает низкое реактивное сопротивление (сопротивление). Это очень мало по сравнению с резистором R1. Здесь падение напряжения на конденсаторе будет очень минимальным по сравнению с резистором, что позволяет выводить высокочастотный сигнал без ослабления или с низким затуханием.

БАНДПАСНЫЙ ФИЛЬТР:

Это комбинация фильтров верхних и нижних частот. Этот фильтр пропускает только сигнал определенной полосы частот и блокирует сигнал за пределами этого диапазона частот.Этот тип фильтра в идеале должен иметь две частоты среза: верхнюю и нижнюю частоту среза. Этот фильтр блокирует сигнал, частота которого меньше нижней частоты среза и выше верхней частоты среза. Как вы можете видеть в приведенной выше схеме, она построена с использованием фильтров верхних и нижних частот. Комбинация из них позволит использовать только полосу частот между верхними и нижними частотами среза и блокирует сигнал за пределами этих частот.

ЦЕПИ ГРМ:

Из того, что мы видели до сих пор, мы знаем, что при использовании конденсатора с постоянным током требуется время для зарядки и достижения приложенного напряжения.Эти схемы синхронизации используют эту характеристику конденсатора и используют ее для создания необходимых временных задержек. Но здесь, наряду с конденсатором, используется резистор для управления скоростью зарядки конденсатора, что, в свою очередь, влияет на задержку времени.

Показанная выше схема представляет собой RC-схему синхронизации, в которой на конденсатор C1 подается постоянный источник постоянного напряжения 9 В. Задержка времени, генерируемая с помощью этой схемы, определяется с помощью постоянной времени T. Постоянная времени может быть рассчитана по формуле

T = RC

Конденсатору требуется 5Т или 5-кратная постоянная времени для полной зарядки.Таким образом, применение вышеуказанного значения резистора и конденсатора в этом уравнении даст 5 секунд задержки по времени. Пятисекундная задержка для достижения конденсатором напряжения питания 9 В на его выводах с момента включения питания.

5 зуб. = 5 x R x C

= 5 x 10 кОм x 100 мкФ

Время задержки = 5 сек.

Интересная вещь происходит за работой этой схемы, чтобы генерировать требуемую задержку времени. Чтобы понять это, давайте взглянем на кривую зарядки на графике конденсатора.

На приведенном выше графике показано соотношение между напряжением, током и временем, затрачиваемым на зарядку конденсатора. В момент времени t = 0 конденсатор будет в разряженном состоянии, и на цепь будет подаваться постоянное напряжение. После подачи напряжения зарядный ток течет через конденсатор, накапливая одинаковые и противоположные заряды на пластинах. Это приводит к увеличению напряжения конденсатора Vc. В начале зарядный ток будет максимальным. Конденсатор будет заряжен на 63% от напряжения питания, когда время достигнет постоянной T, которая отмечена 1 на графике выше.

В связи с вышеупомянутой схемой T будет составлять 1 секунду, и к тому времени напряжение конденсатора будет 63% от 9 В, что составляет 5,67 В. И из графика вы можете вывести на 5T (постоянная времени), конденсатор будет заряжен до подаваемого напряжения, полностью остановив ток зарядки. Теперь говорят, что конденсатор полностью заряжен.

Используя уравнение 5T = 5RC, вы можете зафиксировать значения конденсатора и резистора, чтобы заставить эту RC-цепь генерировать требуемую временную задержку для любого приложения.

БАК ИЛИ НАСТРОЕННЫЕ ЦЕПИ:

Цепи этого типа чаще всего используются в радиопередатчиках, приемниках и приложениях выбора частоты. Конденсатор работает вместе с индуктором в этих цепях, чтобы выполнять свою работу. Цепи Tank или Tuned будут использоваться, когда нам нужно сгенерировать сигнал или получить сигнал определенной частоты из сложного сигнала с несколькими частотными компонентами в нем, и именно отсюда произошло слово «Tuned». Элементы в этой цепи C и L могут быть настроены в соответствии с нашими потребностями.

Работа вышеуказанной схемы основана на реактивном сопротивлении как конденсатора, так и индуктора. Как и конденсатор, индуктор демонстрирует реактивное сопротивление. Но в отличие от конденсатора индуктор демонстрирует высокое реактивное сопротивление к высокочастотным сигналам, тогда как конденсатор демонстрирует высокое реактивное сопротивление к низкочастотным сигналам. Эта цепь резервуара будет построена таким образом, чтобы реактивное сопротивление обоих элементов конденсатора и индуктора было одинаковым на частоте, тем самым достигая резонанса. В резонансе этот контур резервуара способен генерировать сигналы заданной частоты или принимать сигналы этой частоты.

Вот как это работает: когда конденсатор, подключенный к этой схеме, заряжен, он накапливает заряды между пластинами. Затем ток от конденсатора переместится в индуктор, который, в свою очередь, создаст вокруг него магнитное поле. Это приводит к истощению зарядов на пластинах, и напряжение на них падает до нуля. Индуктор имеет свойство сопротивляться изменению протекания через него тока. Как только ток от конденсатора прекращается, магнитное поле индуктора схлопывается, позволяя току течь через цепь.Этот ток достигает конденсатора и снова заряжает его, создавая заряды на его пластинах и вырабатывая на нем напряжение. Этот цикл продолжает повторяться снова и снова, генерируя сигналы резонансной частоты. Мы также можем использовать эту схему для извлечения сигналов этой частоты из сложного сигнала.

СВОДКА О КОНДЕНСАТОРАХ:

  1. Конденсаторы состоят из двух параллельных пластин, разделенных изолирующей средой или диэлектриками.
  2. Конденсаторы накапливают энергию в виде электрического заряда, в результате чего на пластинах возникает напряжение.
  3. Количество заряда, которое он может хранить на своей пластине, определяется ее значением емкости.
  4. Он позволяет сигналу постоянного тока проходить только в течение определенного периода времени, позволяя сигналу переменного тока проходить бесконечно.
  5. Обладает высоким реактивным сопротивлением (сопротивлением) низкочастотным сигналам и низким реактивным сопротивлением высокочастотным сигналам.
  6. Конденсаторы
  7. чаще всего используются в усилителях, фильтрах, источниках питания, трансиверах и т. Д.

Это в основном о конденсаторе и его работе.Надеюсь, что это руководство будет информативным и даст вам представление о его работе и использовании в практических схемах. Я также хотел бы добавить, что есть другие приложения Capacitor, которые мы не рассмотрели в этом руководстве. Но здесь я рассмотрел самые важные приложения.

В ближайшее время мы опубликуем руководство по другим компонентам. Подпишитесь на нашу рассылку новостей и следите за нами через каналы социальных сетей, чтобы получать регулярные обновления с нашего веб-сайта. Если у вас есть какие-либо вопросы относительно конденсаторов, оставьте их в поле для комментариев ниже, я буду рад ответить на ваши вопросы.

Как работают конденсаторы | HowStuffWorks

В некотором смысле конденсатор немного похож на батарею. Хотя они работают совершенно по-разному, конденсаторы и батареи хранят электрическую энергию . Если вы читали «Как работают батареи», то знаете, что у батареи есть две клеммы. Внутри батареи химические реакции производят электроны на одном выводе и поглощают электроны на другом выводе. Конденсатор намного проще, чем батарея, поскольку он не может производить новые электроны — он только хранит их.

В этой статье мы точно узнаем, что такое конденсатор, для чего он нужен и как он используется в электронике. Мы также рассмотрим историю конденсатора и то, как несколько человек помогли сформировать его развитие.

Внутри конденсатора клеммы соединяются с двумя металлическими пластинами , разделенными непроводящим веществом, или диэлектриком . Конденсатор легко сделать из двух кусков алюминиевой фольги и листа бумаги. С точки зрения накопительной емкости это не будет особенно хороший конденсатор, но он будет работать.

Теоретически диэлектриком может быть любое непроводящее вещество. Однако для практического применения используются специальные материалы, которые лучше всего подходят для работы конденсатора. Слюда, керамика, целлюлоза, фарфор, майлар, тефлон и даже воздух — вот некоторые из используемых непроводящих материалов. Диэлектрик определяет, какой это конденсатор и для чего он лучше всего подходит. В зависимости от размера и типа диэлектрика, некоторые конденсаторы лучше подходят для высокочастотных применений, а некоторые — для высоковольтных применений.Конденсаторы могут быть изготовлены для любых целей, от самого маленького пластикового конденсатора в вашем калькуляторе до сверхконденсатора, который может питать пригородный автобус. НАСА использует стеклянные конденсаторы, чтобы помочь разбудить схемы космического шаттла и помочь развернуть космические зонды. Вот некоторые из различных типов конденсаторов и способы их использования.

  • Воздух — часто используется в схемах настройки радио
  • Майлар — Чаще всего используется для схем таймера, таких как часы, сигнализация и счетчики
  • Стекло — Подходит для приложений высокого напряжения
  • Керамика — Используется для высокочастотных целей, таких как антенны, X- рентгеновские аппараты и аппараты МРТ
  • Суперконденсатор — питание электрических и гибридных автомобилей

В следующем разделе мы более подробно рассмотрим, как именно работают конденсаторы.

Конденсаторы: все, что вам нужно знать | ОРЕЛ

Нет, мы здесь не говорим о Grand Theft Auto! Закрывание крышки в мире электроники нехорошо, если вам не нравится видеть, как ваш электролитический конденсатор горит в огне. Конденсаторы играют важную роль в семействе пассивных электронных компонентов, и их можно использовать повсюду.

Помните вспышку в вашей цифровой камере? Конденсаторы делают это возможным. Или возможность переключать канал на телевизоре? Опять конденсаторы.Эти ребята — маленькие батарейки, которые «могут», и вам нужно знать все, что о них известно, прежде чем вы начнете работать над своим первым проектом в области электроники.

Это как бутерброд с мороженым

Для простоты — конденсатор накапливает электрический заряд , очень похоже на батарею. Также называемые caps , вы найдете этих парней в приложениях, где требуется накопление энергии, подавление напряжения и даже фильтрация сигналов. А как они выглядят? Ну бутерброд с мороженым!

Что бы вы сделали с баром «Клондайк»? Сравните это, конечно, с конденсатором! (Источник изображения)

Подумайте о том восхитительном бутерброде с мороженым, который вам понравился в тот знойный летний день.У вас есть восхитительная корочка с двух сторон и кремовый кусок ванильного мороженого посередине. Эта композиция из двух внешних слоев и одного внутреннего слоя — это то, как выглядит конденсатор. Вот из чего они сделаны:

  • Начиная снаружи. Сверху и снизу конденсатора вы найдете набор металлических пластин, также называемых проводниками. Электрический заряд находит эти металлические пластины очень привлекательными.
  • Сидит посередине. Посреди этих двух металлических пластин вы найдете изолятор или материал, к которому не притягивается электричество. Этот изолятор обычно называют диэлектриком и может быть изготовлен из бумаги, стекла, резины, пластика и т. Д.
  • Соединяем вместе. Две металлические пластины сверху и снизу крышки соединены двумя электрическими клеммами, которые соединяют ее с остальной частью цепи. Один конец конденсатора подключается к источнику питания, а другой — к земле.

Внутренняя структура конденсатора, у нас есть две металлические пластины, внутренний диэлектрик и соединительные клеммы.

Конденсаторы всех форм и размеров

Конденсаторы

бывают разных форм и размеров, каждый из которых определяет, насколько хорошо они могут удерживать заряд. Три наиболее распространенных типа конденсаторов, с которыми вы столкнетесь, включают керамический конденсатор, электролитический конденсатор и суперконденсатор:

Конденсаторы керамические

Это конденсаторы, с которыми вы, вероятно, будете работать в своем первом электронном проекте с использованием макета.В отличие от своих электролитических аналогов, керамические конденсаторы удерживают меньший заряд, но и меньше пропускают ток. Они также оказываются самыми дешевыми конденсаторами из всей группы, так что запасайтесь! Вы можете быстро определить керамический конденсатор со сквозным отверстием, посмотрев на маленькие желтые или красные лампочки с двумя торчащими из них клеммами.

Три типа керамических конденсаторов, вы будете использовать их на макетных платах. (Источник изображения)

Конденсаторы электролитические

Эти парни выглядят как маленькие консервные банки, которые вы найдете на печатной плате, и в их крошечном следе могут удерживаться огромные электрические разряды.Это также единственный тип конденсатора, который поляризован, а это означает, что они будут работать только при подключении с определенной ориентацией. На этих электролитических конденсаторах есть положительный вывод, называемый анодом, и отрицательный вывод, называемый катодом. Анод всегда нужно подключать к более высокому напряжению. Если вы подключите его наоборот, когда на катоде будет более высокое напряжение, приготовьтесь к взрыву крышки!

Электролитический конденсатор, обратите внимание на положительный вывод и более длинный (анод) и более короткий отрицательный вывод (катод).(Источник изображения)

Несмотря на то, что электролитические колпачки способны удерживать большое количество электрического заряда, они также хорошо известны тем, что пропускают ток быстрее, чем керамические колпачки. Из-за этого они не лучший выбор, когда вам нужно хранить энергию.

Суперконденсаторы

Supercaps — супергерои семейства конденсаторных, они могут хранить большое количество энергии! К сожалению, суперкапс не очень хорошо справляется с избыточным напряжением, и вы окажетесь без колпачка, если превысите максимальное напряжение, указанное в таблице данных.ПОП!

В отличие от электролитических конденсаторов, вы обнаружите, что суперконденсаторы используются для хранения и разряда энергии, как и батареи. Но в отличие от батареи, суперкапсы высвобождают свой заряд сразу, и вы никогда не получите такой же срок службы, как обычный аккумулятор.

Посмотрите на этот мощный supercap ! Он имеет огромную емкость 3000F. (Источник изображения)

Обозначения конденсаторов

Идентифицировать конденсатор на вашей первой схеме очень просто, поскольку они бывают только двух типов: стандартные и поляризованные.Обратите внимание на символ стандартного конденсатора ниже. Вы заметите, что это всего лишь две простые линии с пробелом между ними. Это две металлические пластины, которые вы найдете сверху и снизу физического конденсатора.

Поляризованный конденсатор выглядит немного иначе и имеет дугообразную линию в нижней части, а также положительный вывод наверху. Этот положительный вывод очень важен и указывает, как этот поляризованный конденсатор должен быть подключен. Положительная сторона всегда подключается к источнику питания, а сторона дуги подключается к земле.

Два наиболее распространенных типа конденсаторов, которые вы увидите на схеме для США, стандартные и поляризованные.

Кто изобрел эти вещи?

Хотя многие считают английского химика Майкла Фарадея пионером современного конденсатора, он не был первым, кто его изобрел. То, что сделал Фарадей, было важно — он продемонстрировал первые практические примеры конденсатора и то, как использовать его для хранения электрического заряда в своих экспериментах. И благодаря Фарадею у нас также есть способ измерить заряд, который может удерживать конденсатор, известный как емкость, который измеряется в Фарадах!

Гениальный английский химик Майкл Фарадей, пионер конденсаторов, которые мы используем сегодня.(Источник изображения)

До Майкла Фарадея некоторые записи указывают на то, что покойный немецкий ученый Эвальд Георг фон Клейст изобрел первый конденсатор в 1745 году. Несколько месяцев спустя голландский профессор по имени Питер ван Мушенбрук придумал похожий дизайн, теперь известный как Лейденская банка. Странное время, правда? Однако все это было просто совпадением, и оба ученых в равной степени получили признание за свои первоначальные изобретения конденсатора.

Самый ранний образец конденсатора, лейденская банка.(Источник изображения)

Знаменитый Benjamin Franklin позже стал усовершенствованием конструкции лейденской банки, созданной Musschenbroek. Франклин также смог обнаружить, что использование плоского куска стекла было отличной альтернативой целой банке. Так родился первый плоский конденсатор, получивший название площади Франклина.

Caps в действии — как они работают

Давайте подробно рассмотрим, как работают эти мощные конденсаторы, на практическом примере. Вы ведь раньше пользовались цифровым фотоаппаратом? Тогда вы знаете, что есть несколько коротких моментов между нажатием кнопки, чтобы сделать снимок, и моментом срабатывания вспышки.

Что здесь происходит? К вспышке прикреплен конденсатор, который заряжается после того, как вы нажмете кнопку, чтобы сделать снимок. Как только этот конденсатор полностью заряжается аккумулятором камеры, вся эта энергия взрывается наружу в ослепляющей вспышке света!

Обратите внимание, конденсатор, который делает возможной вспышку в этой камере. (Источник изображения)

Так как же все это произошло? Заглянем изнутри в загадочный мир конденсатора:

  1. Начинается с заряда. Электрический ток от источника питания сначала проходит через конденсатор и застревает на первой пластине. Почему застревает? Потому что есть изолятор, который не пропускает отрицательно заряженную электронику.
  2. Накопление зарядов. По мере того, как все больше и больше электронов прилипают к этой первой пластине, она становится отрицательно заряженной и в конечном итоге отталкивает все лишние электроны, с которыми она не может справиться, к другой пластине. Затем эта вторая пластина становится положительно заряженной.
  3. Заряд сохраняется. Пока две пластины конденсатора продолжают заряжаться, отрицательные и положительные электроны отчаянно пытаются соединиться, но этот противный изолятор в середине не позволяет им, создавая электрическое поле. Вот почему колпачок продолжает удерживать и накапливать заряд, потому что существует бесконечный источник напряжения между отрицательной и положительной сторонами двух пластин, которые не разрешены.
  4. Заряд высвобождается. Рано или поздно две пластины в нашем конденсаторе не смогут удерживать заряд, так как они на пределе емкости.Но что происходит сейчас? Если в вашей цепи есть путь, по которому электрический заряд может течь в другом месте, тогда все электроны в вашей крышке будут разряжены , а , наконец, прекратят свое напряжение, когда они будут искать другой путь друг к другу.

Измерение заряда

Как можно измерить, сколько заряда хранится в конденсаторе? Каждый колпачок рассчитан на определенную емкость. Он измеряется в фарадах по имени английского химика Майкла Фарадея. Поскольку в одном фараде содержится тонна электрического заряда, вы обычно видите конденсаторы, измеряемые в пикофарадах или микрофарадах.Вот полезная диаграмма, которая показывает, как разбиваются эти измерения:

Имя Аббревиатура Фарады
Пикофарад пФ 0,000000000001 Ф
нанофарад нФ 0,000000001 Ф
Микрофарад мкФ 0,000001 Ф
Милифарад мФ 0.001 F
Килофарад кФ 1000 F

Теперь, чтобы выяснить, сколько заряда в настоящее время хранит конденсатор, вам понадобится это уравнение:

В этом уравнении общий заряд представлен как (Q) , и соотношение этого заряда можно найти, умножив емкость конденсатора ( C, ) и приложенное к нему напряжение ( В, ). Следует отметить, что емкость конденсатора напрямую зависит от его напряжения.Таким образом, чем больше вы увеличиваете или уменьшаете источник напряжения в цепи, тем больший или меньший заряд будет у вашего конденсатора.

Емкость в параллельных и последовательных цепях

Когда вы размещаете конденсаторы в цепи параллельно, вы можете определить общую емкость, сложив все отдельные емкости вместе.

Получить общую емкость в параллельной цепи так же просто, как 1 + 1, просто сложите их все вместе! (Источник изображения)

При последовательном размещении конденсаторов общая емкость вашей цепи является обратной величиной всех ваших суммированных емкостей.Вот краткий пример. Если у вас есть два конденсатора по 10 Ф, соединенные последовательно, то общая емкость будет равна 5 Ф.

Получить общую емкость в последовательной цепи немного сложнее. Емкость уменьшается вдвое. (Источник изображения)

Запуск крышек в работу

Теперь, когда у нас есть твердое представление о том, что такое конденсаторы, как они работают и как измеряются, давайте рассмотрим три распространенных приложения, в которых используются конденсаторы. Сюда входят такие приложения, как развязывающие конденсаторы, накопители энергии и емкостные сенсорные датчики.

Конденсатор развязки

В наши дни вам будет сложно найти схему, в которой нет интегральной схемы или ИС. В этих типах схем конденсаторы должны выполнять критически важную работу, удаляя весь высокочастотный шум, обнаруживаемый в сигналах источника питания, которые питают ИС.

Почему это необходимая работа для нашего конденсатора? Любые колебания напряжения могут быть фатальными для ИС и даже могут привести к неожиданному отключению питания микросхемы. Помещая конденсаторы между ИС и источником питания, они успокаивают колебания напряжения, а также действуют как второй источник питания, если первичная мощность падает настолько, чтобы выключить ИС.

Конденсатор развязки для контроля колебаний напряжения.

Накопитель энергии

Конденсаторы

имеют много общих характеристик с батареями, включая их способность накапливать энергию. Однако, в отличие от батареи, конденсаторы не выдерживают такой большой мощности. Но хотя они и не успевают по количеству, они стараются разрядиться как можно быстрее! Конденсаторы могут поставлять энергию намного быстрее, чем аккумулятор, что делает их идеальными для питания вспышки в камере, настройки радиостанции или переключения каналов на телевизоре.

Емкостные сенсорные датчики

Одно из последних достижений в области применения конденсаторов связано с взрывным ростом технологий сенсорных экранов. Стеклянные экраны, из которых состоят эти сенсорные датчики, имеют очень тонкое прозрачное металлическое покрытие. Когда ваш палец касается экрана, это вызывает падение напряжения, определяющее точное местоположение вашего пальца!

Емкостные сенсорные датчики в действии с защитной накладкой и печатной платой. (Источник изображения)

Практика — выбор конденсатора

Давайте перейдем к сфере практичности и поговорим о том, на что обращать внимание при выборе следующего конденсатора.Необходимо учитывать пять переменных, в том числе:

  • Размер — сюда входит как физический размер вашего конденсатора, так и его общая емкость. Не удивляйтесь, если выбранный вами конденсатор будет самой большой частью вашей печатной платы, так как чем больше вам потребуется емкости, тем больше они станут.
  • Допуск — Конденсаторы, как и их аналоги с резисторами, имеют переменный допуск. Вы найдете допуск для конденсаторов в диапазоне от ± 1% до ± 20% от заявленного значения.
  • Максимальное напряжение — Каждый конденсатор имеет максимальное напряжение, с которым он может работать. В противном случае он взорвется! Вы найдете максимальное напряжение от 1,5 до 100 В.
  • Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) — Как и любой другой физический материал, клеммы конденсатора имеют очень маленькое сопротивление. Это может стать проблемой, если вам нужно помнить о потерях тепла и энергии.
  • Ток утечки — В отличие от наших батарей, в конденсаторах происходит утечка накопленного заряда.И пока он истощается медленно, вы должны обратить внимание на то, насколько сильно протекает ваш конденсатор, если его основная функция — накопление энергии.

Все заряжены

Вот и все, что вам нужно знать о конденсаторах, чтобы полностью зарядиться для вашего следующего проекта в области электроники! Конденсаторы — это очаровательная небольшая группа, способная накапливать электрический заряд для множества применений, и они даже могут выступать в качестве вторичного источника питания для этих чувствительных интегральных схем.При работе с конденсаторами внимательно следите за максимально возможным напряжением. В противном случае вы получите несколько взрывающихся крышек, как вы увидите на видео:

Знаете ли вы, что Autodesk EAGLE бесплатно включает тонну библиотек конденсаторов? Начните со своего следующего проекта в области электроники и забудьте о создании собственных деталей! Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.