Назначение и устройство конденсатора: Конденсаторы. Назначение, устройство и виды. Физика. 10 класс. — Объяснение нового материала

Содержание

Конденсаторы. Назначение и устройство конденсаторов — Студопедия

Конденсатором называется система двух проводников, разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников.

Проводники, составляющие конденсатор, называются обкладками.

Электроемкостью системы из двух проводников называется физическая величина, определяемая как отношение заряда q одного из проводников к разности потенциалов Δφ между ними:

В системе СИ единица электроемкости называется фарад (Ф):

Электроемкость плоского конденсатора определяется по формуле

С — электроемкость конденсатора, S — площадь обкладок, d — расстояние между обкладками, ε — диэлектрическая проницаемость, ε0 — электрическая постоянная.

Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор.

Конденсаторы используются для сглаживания пульсаций в выпрямителях переменного тока, для разделения постоянной и переменной составляющих тока в электрических колебательных контурах радиопередатчиков и радиоприемников.

Дисперсия света

Вывод

Белый свет имеет сложную структуру.

Белый свет – это сложный свет представляющий совокупность простых цветов, имеющих разные показатели преломления, и, следовательно, содержит электромагнитные волны различных частот. При этом показатель преломления зависит от частоты света

Показатель преломления имеет наибольшее значение для света с самой короткой длиной волны — фиолетового света. Красный свет преломляется слабее

n — абсолютный показатель света;

c — скорость света в вакууме;

— скорость света в среде.

Волна одного цвета называется монохроматической
Существуют простые цвета, не разлагающиеся при прохождении через призму. Таким образом, белый свет состоит из монохроматических волн.

Опыты показали, что свет определяется именно частотой световой волны, поэтому при заданной частоте длина волны больше в той среде, где скорость волны больше.

Фиолетовые лучи преломляются наиболее сильно при прохождении через призму, так как у них скорость наименьшая.

Красные лучи преломляются меньше других при прохождении через призму, так как у них скорость наибольшая

Белый свет разлагается на простые цвета, так как скорость каждого света, при прохождении через вещество, различна.

Дисперсия — зависимость показателя преломления вещества от частоты или длины волны.

Скорость света одинакова для света с любой длиной волны, значит дисперсия следствие зависимости скорости распространения света в среде, от длины световой волны.

Прибор для разложения сложного света — спектроскоп.

Спектры (цветная полоска) испускания, поглощения:

Линейчатые (на темном фоне линии) дают нагретые атомарные газы.


Сплошные (представлены волны всех длин) дают жидкие, твердые тела, сильно сжатые газы, нагретые до высокой температуры, высокотемпературная плазма.

Полосатые — состоят из отдельных полос, разделенных темными промежутками.

Отличие электролитического конденсатора от обычного. §52. Конденсаторы, их назначение и устройство. Основные технические характеристики

  • Конденсаторы вакуумные (обкладки без диэлектрика находятся в вакууме).
  • Конденсаторы с газообразным диэлектриком.
  • Конденсаторы с жидким диэлектриком.
  • Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок.
  • Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные — бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок.
  • Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов прежде всего своей огромной удельной ёмкостью. В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металле, являющийся анодом. Вторая обкладка (катод) — это или электролит (в электролитических конденсаторах) или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесённый непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги.
    Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения своей ёмкости:
  • Постоянные конденсаторы — основной класс конденсаторов, не меняющие своей ёмкости (кроме как в течение срока службы).
  • Переменные конденсаторы — конденсаторы, которые допускают изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление ёмкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды, варикапы) и температурой (термоконденсаторы). Применяются, например, в радиоприемниках для перестройки частоты резонансного контура.

  • Подстроечные конденсаторы — конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение ёмкости.
  • зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят наиболее распространенные низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляюшие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы.
  • Многие интересуются, имеют ли конденсаторы типы? Конденсаторов в электронике существует множество. Такие показатели, как емкость, рабочее напряжение и допуск, являются основными. Не менее важен тип диэлектрика, из которого они состоят. В этой статье будет рассмотрено подробнее, какие типы конденсаторов бывают по виду диэлектрика.

    Классификации конденсаторов

    Конденсаторы являются распространенными компонентами в радиоэлектронике. Они классифицируются по множеству показателей. Важно знать, какими моделями, в зависимости от характера изменения величины, представлены разные конденсаторы. Типы конденсаторов:

    1. Устройства с постоянной емкостью.
    2. Приборы с переменным видом емкости.
    3. Подстроечные модели.

    Тип диэлектрика конденсатора может быть разным:

    • бумага;
    • металлическая бумага;
    • слюда;
    • тефлон;
    • поликарбонат;
    • электролит.

    По способу установки данные приборы предназначены для печатного и навесного монтажа. При этом типы корпусов конденсаторов SMD-модификации бывают:

    • керамическими;
    • пластиковыми;
    • металлическими (алюминиевыми).

    Следует знать, что приборы из керамики, пленки и неполярные виды не обладают маркировкой. Показатель их емкости колеблется от 1 пф до 10 мкф. А электролитные типы имеют форму бочонков в корпусе из алюминия и маркируются.

    Танталовый же тип производится в корпусах прямоугольной формы. Такие устройства бывают разного размера и расцветки: черные, желтые и оранжевые. На них также присутствует кодовая маркировка.

    Электролитические конденсаторы из алюминия

    Основой электролитических конденсаторов из алюминия являются две тонкие скрученные алюминиевые полоски. Между ними расположена бумага, содержащая электролит. Показатель емкости этого прибора равен 0,1-100 000 uF. Кстати, в этом и заключается его основное преимущество перед другими видами. Максимальное напряжение равно 500 V.

    К минусам относятся повышенная утечка тока и уменьшение емкости с возрастанием частоты. Поэтому в платах часто вместе с электролитическим конденсатором используется и керамический.

    Также следует отметить, что данный тип отличается полярностью. Это означает, что с минусовым показателем находится под отрицательным напряжением, в отличие от противоположного вывода. Если не придерживаться этого правила, то скорее всего, приспособление выйдет из строя. Поэтому рекомендуется применять его в цепях с наличием постоянного или пульсирующего тока, но ни в коем случае не переменного.

    Электролитические конденсаторы: типы и предназначение

    Типы электролитических конденсаторов представлены широким рядом. Они бывают:

    • полимерными;
    • полимерными радиальными;
    • с низким уровнем утечки тока;
    • стандартной конфигурации;
    • с широким диапазоном температур;
    • миниатюрными;
    • неполярными;
    • с наличием жесткого вывода;
    • низкоимпедансными.

    Где применяются электролитические конденсаторы? Типы конденсаторов из алюминия используются в разных радиотехнических устройствах, деталях компьютера, периферийных приборах типа принтеров, графических устройствах и сканерах. Также они применяются в строительном оборудовании, промышленных приборах для измерения, в сфере вооружения и космоса.

    Конденсаторы КМ

    Существуют и глиняные конденсаторы типа КМ. Они используются:

    • в промышленном оборудовании;
    • при создании приборов для измерения, отличающихся высокоточными показателями;
    • в радиоэлектронике;
    • в сфере военной индустрии.

    Устройства подобного типа отличаются высоким уровнем стабильности. Основу их функциональности составляют импульсные режимы в цепях с переменным и неизменным током. Их характеризует высокий уровень сцепления обкладок из керамики и долгая служба. Это обеспечивается низким значением коэффициента емкостного непостоянства температур.

    При маленьких размерах имеют высокий показатель емкости, достигающий 2,2 мкФ. Изменение ее значения в интервале рабочей температуры у данного вида составляет от 10 до 90%.

    Типы группы Н, как правило, применяются как переходники или же блокирующие устройства и т. п. Современные приборы из глины изготавливаются при помощи прессовки под давлением в целостный блок тончайших металлизированных керамических пластинок.

    Высокий уровень прочности этого материала дает возможность использовать тонкие заготовки. В итоге пропорциональная показателю объема, резко возрастает.

    Устройства КМ отличаются высокой стоимостью. Объясняется это тем, что при их изготовлении используются драгоценные металлы и их сплавы: Ag, Pl, Pd. Палладий присутствует во всех моделях.

    Конденсаторы на основе керамики

    Дисковая модель обладает высоким уровнем емкости. Ее показатель колеблется от 1 pF до 220 nF, а самое высокое рабочее напряжение не должно быть выше 50 V.

    К плюсам данного типа можно отнести:

    • малые потери тока;
    • небольшой размер;
    • низкий показатель индукции;
    • способность функционировать при высоких частотах;
    • высокий уровень температурной стабильности емкости;
    • возможность работы в цепях с постоянным, переменным и пульсирующим током.

    Основу многослойного устройства составляют чередующиеся тонкие слои из керамики и металла.

    Этот вид похож на однослойный дисковый. Но такие устройства обладают высоким показателем емкости. Максимальное рабочее напряжение на корпусе этих приборов не указывается. Так же как и на однослойной модели, напряжение не должно быть выше 50 V.

    Устройства функционируют в цепях с постоянным, переменным и пульсирующим током.

    Плюсом высоковольных керамических конденсаторов является их способность функционировать под высоким уровнем напряжения. Диапазон рабочего напряжения колеблется от 50 до 15000 V, а показатель емкости может составлять от 68 до 150 pF.

    Могут функционировать в цепях с постоянным, переменным и пульсирующим током.

    Танталовые устройства

    Современные танталовые устройства являются самостоятельным подвидом электролитического вида из алюминия. Основу конденсаторов составляет пентаоксид тантала.

    Конденсаторы обладают небольшим показателем напряжения и применяются в случае необходимости использования прибора с большим показателем емкости, но в корпусе малого размера. У данного типа есть свои особенности:

    • небольшой размер;
    • показатель максимального рабочего напряжения составляет до 100 V;
    • повышенный уровень надежности при долгом употреблении;
    • низкий показатель утечки тока;
    • широкий спектр рабочих температур;
    • показатель емкости может колебаться от 47 nF до 1000 uF;
    • устройства обладают более низким уровнем индуктивности и применяются в высокочастотных конфигурациях.

    Минус этого вида заключен в высокой чувствительности к повышению рабочего напряжения.

    Следует отметить, что, в отличие от электролитического вида, линией на корпусе помечается плюсовой вывод.

    Разновидности корпусов

    Какие разновидности имеют танталовые конденсаторы? Типы конденсаторов из тантала выделяются в зависимости от материала корпуса.

    1. SMD-корпус. Для изготовления корпусных устройств, которые используются при поверхностном монтаже, катод соединяется с терминалом посредством эпоксидной смолы с содержанием серебряного наполнителя. Анод приваривается к электроду, а стрингер отрезается. После формирования устройства на него наносится печатная маркировка. Она содержит показатель номинальной емкости напряжения.
    2. При формировании этого типа корпусного устройства анодный проводник должен быть приварен к самому выводу анода, а затем отрезается от стрингера. В этом случае терминал катода припаивается к основе конденсатора. Далее конденсатор заполняется эпоксидом и высушивается. Как и в первом случае, на него наносится маркировка

    Конденсаторы первого типа отличаются большей степенью надежности. Но все типы танталовых конденсаторов применятся:

    • в машиностроении;
    • компьютерах и вычислительной технике;
    • оборудовании для телевизионного вещания;
    • электрических приборах бытового назначения;
    • разнообразных блоках питания для материнских плат, процессоров и т.д.

    Поиск новых решений

    На сегодняшний день танталовые конденсаторы являются самыми востребованными. Современные производители находятся в поисках новых методов повышения уровня прочности изделия, оптимизации его технических характеристик, а также существенного понижения цены и унификации производственного процесса.

    С этой целью пытаются снизить стоимость на основе составляющих компонентов. Последующая роботизация всего процесса производства также способствует падению цены на изделие.

    Важным вопросом считается и уменьшение корпуса устройства при сохранении высоких технических параметров. Уже проводятся эксперименты на новых типах корпусов в уменьшенном исполнении.

    Конденсаторы из полиэстера

    Показатель емкости этого типа устройства может колебаться от 1 nF до 15 uF. Спектром рабочего напряжения является показатель от 50 до 1500 V.

    Существуют устройства с разной степенью допуска (допустимое отклонение емкости составляет 5%, 10% и 20%).

    Это вид обладает стабильностью температуры, высоким уровнем емкости и низкой стоимостью, что и объясняет их широкое применение.

    Конденсаторы с переменной емкостью

    Типы переменных конденсаторов обладают определенным принципом работы, который заключается в накоплении заряда на пластинах-электродах, изолированных посредством диэлектрика. Пластины эти отличаются подвижностью. Они могут перемещаться.

    Подвижная пластина называется ротором, а неподвижная — статором. При изменении их положения изменятся и площадь пересечения, и, как следствие, показатель емкости конденсатора.

    Конденсаторы бывают с двумя типами диэлектриков: воздушным и твердым.

    В первом случае в роли диэлектрика выступает обыкновенный воздух. Во втором случае применяют керамику, слюду и др. материалы. Для увеличения показателя емкости устройства статорные и роторные пластины собираются в блоки, закрепленные на единой оси.

    Конденсаторы с воздушным типом диэлектрика применяются в системах с постоянной регулировкой емкости (например, в узлах настройки радиоприемников). Такой тип устройства обладает более высоким уровнем стойкости, чем керамический.

    Построечный вид

    Самым распространенным видом являются построечные конденсаторы. Они относятся к переменному типу, но обладают меньшей износостойкостью, так как регулируются реже.

    Типы конденсаторов этой категории в основе содержат металлизированную керамику. Металл функционирует в качестве электрода, а керамика выступает в роли изолятора.

    Конденсаторы (от лат. condenso — уплотняю, сгущаю) — это радиоэлементы с сосредоточенной электрической емкостью, образуемой двумя или большим числом электродов (обкладок), разделенных диэлектриком (специальной тонкой бумагой, слюдой, керамикой и т. д.). Емкость конденсатора зависит от размеров (площади) обкладок, расстояния между ними и свойств диэлектрика.

    Важным свойством конденсатора является то, что для переменного тока он представляет собой сопротивление, величина которого уменьшается с ростом частоты .

    Основные единици измерения эмкости конденсаторов это: Фарад, микроФарад, наноФарад, пикофарад, обозначения на конденсаторах для которых выглядят соответственно как: Ф, мкФ, нФ, пФ.

    Как и резисторы, конденсаторы разделяют на конденсаторы постоянной емкости, конденсаторы переменной емкости (КПЕ), подстроечные и саморегулирующиеся. Наиболее распространены конденсаторы постоянной емкости.

    Их применяют в колебательных контурах, различных фильтрах, а также для разделения цепей постоянного и переменного токов и в качестве блокировочных элементов.

    Конденсаторы постоянной емкости

    Условное графическое обозначение конденсатора постоянной емкости —две параллельные липни — символизирует его основные части: две обкладки и диэлектрик между ними (рис. 1).

    Рис. 1. Конденсаторы постоянной емкости и их обозначение.

    Около обозначения конденсатора на схеме обычно указывают его номинальную емкость, а иногда и номинальное напряжение. Основная единица измерения емкости — фарад (Ф) — емкость такого уединенного проводника, потенциал которого возрастает на один вольт при увеличении заряда на один кулон.

    Это очень большая величина, которая на практике не применяется. В радиотехнике используют конденсаторы емкостью от долей пикофарада (пФ) до десятков тысяч микрофарад (мкФ). Напомним, что 1 мкФ равен одной миллионной доле фарада, а 1 пФ — одной миллионной доле микрофарада или одной триллион-ной доле фарада.

    Согласно ГОСТ 2.702—75 номинальную емкость от 0 до 9 999 пФ указывают на схемах в пикофарадах без обозначения единицы измерения, от 10 000 пФ до 9 999 мкФ — в микрофарадах с обозначением единицы измерения буквами мк (рис. 2).

    Рис. 2. Обозначение единиц измерения для емкости конденсаторов на схемах.

    Обозначение емкости на конденсаторах

    Номинальную емкость и допускаемое отклонение от нее, а в некоторых случаях и номинальное напряжение указывают на корпусах конденсаторов.

    В зависимости от их размеров номинальную емкость и допускаемое отклонение указывают в полной или сокращенной (кодированной) форме.

    Полное обозначение емкости состоит из соответствующего числа и единицы измерения, причем, как и на схемах, емкость от 0 до 9 999 пФ указывают в пикофарадах (22 пФ, 3 300 пФ и т. д.), а от 0,01 до 9 999 мкФ —в микрофарадах (0,047 мкФ, 10 мкФ и т. д.).

    В сокращенной маркировке единицы измерения емкости обозначают буквами П (пикофарад), М (микрофарад) и Н (нанофарад; 1 нано-фарад=1000 пФ = 0,001 мкФ).

    При этом емкость от 0 до 100 пФ обозначают в пикофарадах , помещая букву П либо после числа (если оно целое), либо на месте запятой (4,7 пФ — 4П7; 8,2 пФ —8П2; 22 пФ — 22П; 91 пФ — 91П и т. д.).

    Емкость от 100 пФ (0,1 нФ) до 0,1 мкФ (100 нФ) обозначают в нанофарадах , а от 0,1 мкФ и выше — в микрофарадах .

    В этом случае, если емкость выражена в долях нанофарада или микрофарада, соответствующую единицу измерения помещают на месте нуля и запятой (180 пФ=0,18 нФ—Н18; 470 пФ=0,47 нФ —Н47; 0,33 мкФ —МЗЗ; 0,5 мкФ —МбО и т. д.), а если число состоит из целой части и дроби — на месте запятой (1500 пФ= 1,5 нФ — 1Н5; 6,8 мкФ — 6М8 и т. д.).

    Емкости конденсаторов, выраженные целым числом соответствующих единиц измерения, указывают обычным способом (0,01 мкФ —10Н, 20 мкФ — 20М, 100 мкФ — 100М и т. д.). Для указания допускаемого отклонения емкости от номинального значения используют те же кодированные обозначения, что и для резисторов.

    Особенности и требования к конденсаторам

    В зависимости от того, в какой цепи используют конденсаторы, к ним предъявляют и разные требования . Так, конденсатор, работающий в колебательном контуре, должен иметь малые потери на рабочей частоте, высокую стабильность емкости во времени и при изменении температуры, влажности, давления и т. д.

    Потери в конденсаторах , определяемые в основном потерями в диэлектрике, возрастают при повышении температуры, влажности и частоты. Наименьшими потерями обладают конденсаторы с диэлектриком из высокочастотной керамики, со слюдяными и пленочными диэлектриками, наибольшими — конденсаторы с бумажным диэлектриком и из сегнетокерамики.

    Это обстоятельство необходимо учитывать при замене конденсаторов в радиоаппаратуре. Изменение емкости конденсатора под воздействием окружающей среды (в основном, ее температуры) происходит из-за изменения размеров обкладок, зазоров между ними и свойств диэлектрика.

    В зависимости от конструкции и примененного диэлектрика конденсаторы характеризуются различным температурным коэффициентом емкости (ТКЕ), который показывает относительное изменение емкости при изменении температуры на один градус; ТКЕ может быть положительным и отрицательным. По значению и знаку этого параметра конденсаторы разделяются на группы, которым присвоены соответствующие буквенные обозначения и цвет окраски корпуса.

    Для сохранения настройки колебательных контуров при работе в широком интервале температур часто используют последовательное и параллельное соединение конденсаторов, у которых ТКЕ имеют разные знаки. Благодаря этому при изменении температуры частота настройки такого термокомпенсированного контура остается практически неизменной.

    Как и любые проводники, конденсаторы обладают некоторой индуктивностью . Она тем больше, чем длиннее и тоньше выводы конденсатора, чем больше размеры его обкладок и внутренних соединительных проводников.

    Наибольшей индуктивностью обладают бумажные конденсаторы , у которых обкладки выполнены в виде длинных лент из фольги, свернутых вместе с диэлектриком в рулон круглой или иной формы. Если не принято специальных мер, такие конденсаторы плохо работают на частотах выше нескольких мегагерц.

    Поэтому на практике для обеспечения работы блокировочного конденсатора в широком диапазоне частот параллельно бумажному подключают керамический или слюдяной конденсатор небольшой емкости.

    Однако существуют бумажные конденсаторы и с малой собственной индуктивностью. В них полосы фольги соединены с выводами не в одном, а во многих местах. Достигается это либо полосками фольги, вкладываемыми в рулон при намотке, либо смещением полос (обкладок) к противоположным концам рулона и пропайкой их (рис. 1).

    Проходные и опорные конденсаторы

    Для защиты от помех, которые могут проникнуть в прибор через цепи питания и наоборот, а также для различных блокировок используют так называемые проходные конденсаторы . Такой конденсатор имеет три вывода, два из которых представляют собой сплошной токонесущий стержень, проходящий через корпус конденсатора.

    К этому стержню присоединена одна из обкладок конденсатора. Третьим выводом является металлический корпус, с которым соединена вторая обкладка. Корпус проходного конденсатора закрепляют непосредственно на шасси или экране, а токоподводящий провод (цепь питания) припаивают к его среднему выводу.

    Благодаря такой конструкции токи высокой частоты замыкаются на шасси или экран устройства, в то время как постоянные токи проходят беспрепятственно.

    На высоких частотах применяют керамические проходные конденсаторы , в которых роль одной из обкладок играет сам центральный проводник, а другой — слой металлизации, нанесенный на керамическую трубку. Эти особенности конструкции отражает и условное графическое обозначение проходного конденсатора (рис. 3).

    Рис. 3. Внешний вид и изображение на схемах проходных и опорных конденсаторов.

    Наружную обкладку обозначают либо в виде короткой дуги (а), либо в виде одного (б) или двух (в) отрезков прямых линий с выводами от середины. Последнее обозначение используют при изображении проходного конденсатора в стенке экрана.

    С той же целью, что и проходные, применяют опорные конденсаторы , представляющие собой своего рода монтажные стойки, устанавливаемые на металлическом шасси. Обкладку, соединяемую с ним, выделяют в обозначении такого конденсатора тремя наклонными линиями, символизирующими «заземление» (рис. 3,г).

    Оксидные конденсаторы

    Для работы в диапазоне звуковых частот, а также для фильтрации выпрямленных напряжений питания необходимы конденсаторы, емкость которых измеряется десятками, сотнями и даже тысячами микрофарад.

    Такую емкость при достаточно малых размерах имеют оксидные конденсаторы (старое название — электролитические ). В них роль одной обкладки (анода) играет алюминиевый или танталовый электрод, роль диэлектрика — тонкий оксидный слой, нанесенный на него, а роль другой сбкладки (катода) — специальный электролит, выводом которого часто служит металлический корпус конденсатора.

    В отличие от других большинство типов оксидных конденсаторов полярны , т. е. требуют для нормальной работы поляризующего напряжения. Это значит, что включать их можно только в цепи постоянного или пульсирующего напряжения и только в той полярности (катод — к минусу, анод — к плюсу), которая указана на корпусе.

    Невыполнение этого условия приводит к выходу конденсатора из строя, что иногда сопровождается взрывом!

    Полярность включения оксидного конденсатора показывают на схемах знаком «+», изображаемым у той обкладки, которая символизирует анод (рис. 4,а).

    Это Общее обозначение поляризованного конденсатора. Наряду с ним специально для оксидных конденсаторов ГОСТ 2.728—74 установил символ, в котором Положительная обкладка изображается узким прямоугольником (рис. 4,6), причем знак?+» в этом случае можно не указывать.

    Рис. 4. Оксидные конденсаторы и их обозначение на принципиальных схемах.

    В схемах радиоэлектронных приборов иногда можно встретить обозначение оксидного конденсатора в виде двух узких прямоугольников (рис. 4,в).Это символ неполярного оксидного конденсатора, который может работать в цепях переменного тока (т. е. без поляризующего напряжения).

    Оксидные конденсаторы очень чувствительны к перенапряжениям, поэтому на схемах часто указывают не только их номинальную емкость, но и номинальное напряжение.

    С целью уменьшения размеров в один корпус иногда заключают два конденсатора, но выводов делают только три (один — общий). Условное обозначение сдвоенного конденсатора наглядно передает эту идею (рис. 4,г).

    Конденсаторы переменной емкости (КПЕ)

    Конденсатор переменной емкости состоит из двух групп металлических пластин, одна из которых может плавно перемещаться по отношению к другой. При этом движении пластины подвижной части (ротора) обычно вводятся в зазоры между пластинами неподвижной части (статора), в результате чего площадь перекрытия одних пластин другими, а следовательно, и емкость изменяются.

    Диэлектриком в КПЕ чаще всего служит воздух. В малогабаритной аппаратуре, например в транзисторных карманных приемниках, широкое применение нашли КПЕ с твердым диэлектриком, в качестве которого используют пленки из износостойких высокочастотных диэлектриков (фторопласта, полиэтилена и т. п.).

    Параметры КПЕ с твердым диэлектриком несколько хуже, но зато они значительно дешевле в производстве и размеры их намного меньше, чем КПБ с воздушным диэлектриком.

    С условным обозначением КПЕ мы уже встречались — это символ конденсатора постоянной емкости, перечеркнутый знаком регулирования. Однако из этого обозначения не видно, какая из обкладок символизирует ротор, а какая — статор. Чтобы показать это на схеме, ротор изображают в виде дуги (рис. 5).

    Рис. 5. Обозначение конденсаторов переменной емкости.

    Основными параметрами КПЕ, позволяющими оценить его возможности при работе в колебательном контуре, являются минимальная и максимальная емкость, которые, как правило, указывают на схеме рядом с символом КПЕ.

    В большинстве радиоприемников и радиопередатчиков для одновременной настройки нескольких колебательных контуров применяют блоки КПЕ, состоящие из двух, трех и более секций.

    Роторы в таких блоках закреплены на одном общем валу, вращая который можно одновременно изменять емкость всех секцйй. Крайние пластины роторов часто делают разрезными (по радиусу). Это позволяет еще на заводе отрегулировать блок так, чтобы емкости всех секций были одинаковыми в любом положении ротора.

    Конденсаторы, входящие в блок КПЕ, на схемах изображают каждый в отдельности. Чтобы показать, что они объединены в блок, т. е. управляются одной общей ручкой, стрелки, обозначающие регулирование, соединяют штриховой линией механической связи, как показано на рис. 6.

    Рис. 6. Обозначение сдвоенных конденсаторов переменной емкости.

    При изображении КПЕ блока в разных, далеко отстоящих одна от другой частях схемы механическую связь не показывают, ограничиваясь тЬлько соответствующей нумерацией секций в позиционном обозначении (рис. 6, секции С 1.1, С 1.2 и С 1.3).

    В измерительной аппаратуре, например в плечах емкостных мостов, находят применение так называемые дифференциальные конденсаторы (от лат. differentia — различие).

    У них две группы статорных и одна — роторных пластин, расположенные так, что когда роторные пластины выходят из зазоров между пластинами одной группы статора, они в то же время входят между пластинами другой.

    При этом емкость между пластинами первого статора и пластинами ротора уменьшается, а между пластинами ротора и второго статора увеличивается. Суммарная же емкость между ротором и обоими статорами остается неизменной. Такие «конденсаторы изображают на схемах, как показано на рис 7.

    Рис. 7. Дифференциальные конденсаторы и их обозначение на схемах.

    Подстроечные конденсаторы . Для установки начальной емкости колебательного контура, определяющей максимальную частоту его настройки, применяют подстроечные конденсаторы, емкость которых можно изменять от единиц пикофарад до нескольких десятков пикофарад (иногда и более).

    Основное требование к ним — плавность изменения емкости и надежность фиксации ротора в установленном при настройке положении. Оси подстроечных конденсаторов (обычно короткие) имеют шлиц, поэтому регулирование их емкости возможно только с применением инструмента (отвертки). В радиовещательной аппаратуре наиболее широко применяют конденсаторы с твердым диэлектриком.

    Рис. 8. Подстроечные конденсаторы и их обозначение.

    Конструкция керамического подстроечного конденсатора (КПК) одного из наиболее распространенных типов показана на рис. 8,а. Он состоит из керамического основания (статора) и подвижно закрепленного на нем керамического диска (ротора).

    Обкладки конденсатора—тонкие слои серебра — нанесены методом вжигания на статор и наружную сторону ротора. Емкость изменяют вращением ротора. В простейшей аппаратуре применяют иногда проволочные подстроечные конденсаторы.

    Такой элемент состоит из отрезка медной проволоки диаметром 1 … 2 и длиной 15 … 20 мм, на который плотно, виток к витку, намотан изолированный провод диаметром-0,2… 0,3 мм (рис. 8,б). Емкость изменяют отматыванием провода, а чтобы обмотка не сползла, ее пропитывают каким-либо изоляционным составом (лаком, кЛеем и т. п.).

    Подстроечные конденсаторы обозначают на схемах основным символом, перечеркнутым знаком подстроечного регулирования (рис. 8,в).

    Саморегулируемые конденсаторы

    Используя в качестве диэлектрика специальную керамику, диэлектрическая проницаемость которой сильно зависит от напряженности электрического поля, можно получить конденсатор, емкость которого зависит от напряжения на его обкладках.

    Такие конденсаторы получили название варикондов (от английских слов vari (able) — переменный и cond(enser) —конденсатор). При изменении напряжения от нескольких вольт до номинального емкость вариконда изменяется в 3—6 раз.

    Рис. 9. Вариконд и его обозначение на схемах.

    Вариконды можно использовать в различных устройствах автоматики, в генераторах качающейся частоты, модуляторах, для электрической настройки колебательных контуров и т. д.

    Условное обозначение вариконда — символ конденсатора со знаком нелинейного саморегулирования и латинской буквой U (рис. 9,а).

    Аналогично построено обозначение термоконденсаторов, применяемых в электронных наручных часах. Фактор, изменяющий емкость такого конденсатора—температуру среды — обозначают символом t°(pис. 9, б). Вместе с тем что такое конденсатор часто ищут

    Литература: В.В. Фролов, Язык радиосхем, Москва, 1998.

    Конденсатор , кондер , кондюк — так его называют бывалые” специалисты один из самых распространенных элементов применяемое в различных электрических цепях. Конденсатор способен накапливать в себе заряд электрического тока и передавать его другим элементам в электроцепи.
    Простейший конденсатор состоят из двух пластинчатых электродов, разделенных диэлектриком, на этих электродах накапливается электрический заряд разной полярности, на одной пластин будет положительный заряд на другой отрицательный.

    Принцип работы конденсатора и его назначение — постараюсь кратко и предельно понятно ответить на эти вопросы. В электрических схемах данные устройства могут использоваться с различными целями, но их основной функцией является сохранение электрического заряда, то есть, конденсатор получает электрический ток, сохраняет его и впоследствии передает в цепь.

    При подключении конденсатора к электрической сети на электродах конденсатора начинает накапливаться электрический заряд. В начале зарядки конденсатор потребляет наибольшую величину электрического тока, по мере зарядки конденсатора электроток уменьшается и когда емкость конденсатора будет наполнена ток пропадет совсем.

    При отключении электрической цепи от источника питания и подключении нагрузки, конденсатор перестает получать заряд и отдает накопленный ток другим элементам, сам, как бы становится источником питания.

    Основная техническая характеристика конденсатора, это емкость. Емкостью называется способность конденсатора накапливать электрический заряд. Чем больше емкость конденсатора, тем большее количество заряда он может накопить и соответственно отдать обратно в электрическую цепь. Емкость конденсатора измеряется в Фарадах. Конденсаторы различаются по конструкции, материалов из которых они изготовлены и области применения. Самый распространенный конденсатор это — конденсатор постоянной емкости, обозначается он так —

    Конденсаторы постоянной емкости изготавливаются из самых различных материалов и могут быть — металлобумажными, слюдяными, керамическими. Такие конденсаторы как электрокомпонент используются во всех электронных устройствах.

    Электролитический конденсатор

    Следующий распространенный тип конденсаторов это — полярные электролитические конденсаторы , его изображение на электрической схеме выглядит так —

    Электролитический конденсатор так же можно назвать постоянным конденсатором, потому, что их емкость не меняется.

    Но электролитические конденсаторы имеют очень важно отличие, знак (+) возле одного из электродов конденсатора говорит о том, что это полярный конденсатор и при подключении его в цепь нужно соблюдать полярность. Плюсовой электрод необходимо подключить к плюсу источника питания, а минусовой (который без плюсика) соответственно к отрицательному — (на корпусе современных конденсаторов наносят обозначение минусового электрода, а вот плюсовой не обозначают никак).


    Не соблюдение этого правила может привести к выходу конденсатора из строя и даже взрыву, сопровождающемуся разлетом бумаги фольги и нехорошим запахом (от конденсатора конечно…). Электролитические конденсаторы могут иметь очень большую емкость и соответственно накапливать, довольно большой потенциал. Поэтому электролитические конденсаторы даже после отключения питания таят в себе опасность, и при неосторожном обращении ты можешь получить сильный удар электрического тока. Поэтому после снятия напряжения для безопасной работы с электрическим устройством (ремонте электроники , настройке, и т.д.) электролитический конденсатор необходимо разрядить, замкнув накоротко его электроды, (делать это нужно специальным разрядником) особенно это касается конденсаторов большой емкости которые установлены на блоках питания, где есть высокое напряжение.

    Конденсаторы переменной емкости.


    Как ты понял из названия переменные конденсаторы могут изменять свою емкость — например при настройке радиоприемников. Еще совсем недавно для настройки радиоприемников на нужную станцию использовались только конденсаторы переменной емкости, вращая ручку настройки приемника тем самым изменяли емкость конденсатора. Переменные конденсаторы используются и посей день в простых недорогих моделях приемников и передатчиков. Конструкция переменного конденсатора очень простая. Конструктивно он состоит из статорных и роторных пластин, роторные пластины подвижные и входят в статорные е касаясь последних. Диэлектриком в таком конденсаторе является воздух. При входе статорных пластин в роторные емкость конденсатора увеличивается, при выходе роторных пластин емкость уменьшается. Обозначение переменного конденсатора выгляди так —

    ПРИМЕНЕНИЕ КОНДЕНСАТОРОВ

    Конденсаторы нашли широкое применение во всех областях электротехники, они используются в различных электрических цепях.
    В электроцепи переменного тока они могут служить в качестве ёмкостного сопротивления. Возьмем такой пример, при последовательном 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 качествам, конденсаторы применяются в качестве фильтров, в цепях подавляющих высокочастотные и низкочастотные помехи.

    Конденсаторы также используются в различных импульсных схемах, где требуется быстрое накопление и отдача большого электрического заряда, в ускорителях, фотовспышках, импульсных лазерах, благодаря способности накапливать большой электрический заряд и быстро передавать его другим элементам сети с низким сопротивлением, создавая мощный импульс. Конденсаторы применяют для сглаживания пульсаций при выпрямлении напряжения. Способность конденсатора сохранять заряд длительное время дает возможность использовать их для хранения информации. И это только очень краткий перечень всего где может применяться конденсатор.

    Продолжая занятия электротехникой, ты откроешь для себя еще много интересного в том числе и о работе и применению конденсаторов. Но, и этой информации, тебе будет достаточно для общего понимания и продвижения дальше.

    Как проверить конденсатор

    Для проверки конденсаторов необходим прибор, тестер или иначе мультиметр . Существуют специальные приборы измеряющие емкость (С), но эти приборы стоят денег, и зачастую нет смысла их приобретать для домашней мастерской, тем более на рынке есть недорогие китайские мультиметры с функцией измерения емкости. Если на твоем тестере нет такой функции, ты можешь воспользоваться обычной функцией прозвонки — к ак прозванивать мультиметром , как и при проверке резисторов — что такое резистор . Конденсатор можно проверить на “пробой” в этом случае сопротивление конденсатора очень большое, почти бесконечное (зависит от материала из которого изготовлен кондер). Электролитические конденсаторы проверяют следующим образом — Необходимо включить тестер в режим прозвонки, подключить щупы прибора к электродам (ножкам) конденсатора и следить за показанием на индикаторе мультиметра, показание мультиметра будет изменяться в меньшую сторону, пока не остановится совсем. После чего нужно щупы поменять местами, показания начнут уменьшаться почти до нуля. Если все произошло так как я описал, “кондер” исправен. Если нет изменений в показаниях или показания сразу становятся большими или прибор вовсе показывает ноль, конденсатор неисправен. Лично я предпочитаю проверять “кондюки” стрелочным прибором плавность движения стрелки легче отслеживать, чем мелькание цифр в окошке индикатора.


    Емкость конденсатора измеряется в Фарадах, 1 фарад — это огромная величина. Такую ёмкость будет иметь металлический шар размеры которого будут превышать размеры нашего солнца в 13 раз. Шар размером в планету Земля будет иметь иметь емкость всего 710 микрофарад. Обычно, емкость конденсаторов которые мы применяем в электротехнических устройствах обзначается в микрофарадах (mF), пикофарадах (nF), нанофарадах (nF). Следует знать что, 1 микрофарад равен 1000 нанофарад. Соответственно, 0.1 uF равен 100 nF. Кроме главного параметра, на корпусе элементов отмечается допустимое отклонение реальной ёмкости от указанной и напряжение, на которое рассчитано устройство. При его превышении прибор может выйти из строя.

    Этих знаний тебе будет вполне достаточно для начала и для того чтобы самостоятельно продолжить изучение конденсаторов и их физических свойств в специальной технической литературе. Желаю успеха и настойчивости!

    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.


    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 различной электрической технике и в фильтрах высших гармоник данный элемент применяется для компенсации реактивной мощности.

    Силовые конденсаторы: описание, разновидности, промышленное назначение

    Силовой конденсатор – это устройство, которое используется в силовой электрической цепи как накопитель электрического заряда. Основной характеристикой такого устройства является емкость, показывающая, какое количество заряда может в нем накопиться. За счет этой емкости стабилизируется поток электричества, повышается и компенсируется мощность установки. Силовые конденсаторы могут устанавливаться как по одной, так и по несколько единиц, параллельно-последовательно соединенных в комплектные установки.

    Общие сведения

    Любой электрический конденсатор – это устройство для накопления электричества, аналогичное аккумуляторной батарее, но отличающееся от нее способностью к одномоментной отдаче накопленного заряда. Силовые конденсаторы выделяются в отдельную категорию несколько условно, так как по конструкции и компонентам изоляции они имеют много общего со всеми остальными. При этом существует ряд особенностей и ограничений, в частности по используемым изоляционным материалам и некоторым другим компонентам.

    Конструкция силового конденсатора включает:

    • две проводящие ленты-обкладки;
    • диэлектрик (изолятор) для их разделения.

    В отличие от аналогичных «несиловых» приборов (для связи, радиотехники и т.п.), в данных устройствах для разделения обкладок используются только некоторые виды изоляторов:

    • особая конденсирующая бумага;
    • искусственно-полимерные ленточные пленки, намотанные в рулоны.

    При этом изоляция является слоистой и предполагает применение одного материала или их сочетания. Возможны такие варианты:

    • только бумага – бумажный изолятор;
    • бумага и пленка (послойное чередование бумаги и пленки) ­–­ пленочно-бумажный;
    • только пленка – пленочный (единственный из всех может быть однослойным).

    Чтобы устранить воздух, который присутствует в бумажной или межслойной структуре, применяется пропитка специальными жидкими веществами, обладающими высокими изоляционными свойствами, обеспечивающими максимальную наполняемость и не дающими усадки.

    Обкладки изготавливаются из таких материалов:

    • алюминиевая фольга;
    • цинковое или алюминиевое покрытие одной стороны бумажного или пленочного изолятора;
    • бумажная лента, с двух сторон имеющая металлическое покрытие.

    При этом у каждого материала есть свои преимущества: использование фольги обеспечивает наилучшие тепловые характеристики, а остальные два варианта способны самостоятельно восстанавливать емкость в случае пробоя. Применение двух типов обкладок в одном устройстве – одной из фольги и второй с металлическим покрытием – позволяет обеспечить высокие тепловые характеристики наряду со способностью к самовосстановлению.

    С учетом указанных особенностей наибольшую распространенность имеют силовые конденсаторы, конструкция которых состоит из таких элементов:

    • обкладки – из фольги или комбинированные;
    • изоляция – пленочная или пленочно-бумажная.

    Применение чередующихся пленочных и бумажных слоев за счет пористости бумаги, которая при этом выполняет еще и функции фитиля, способствует отличной пропитке диэлектрика. Пленочные изоляторы начали применяться лишь после того, как был разработан метод, позволяющий создавать на пленке микро-капилляры для проникновения пропитки.

    Каждый вид указанной изоляции имеет разные рабочие напряженности:

    • бумага – 22 МВ/м;
    • пленочно-бумажные – 40 МВ/м;
    • пленка – свыше 50 МВ/м (при 50 Гц ) с удельной характеристикой от 6,5 киловар-часов/куб.дм.

    Новейший вид силового конденсатора, обладающего способностью к самовосстановлению и характеризующегося соответствующими показателями в 70 МВ/м и 9,4 киловар-часов/куб.дм, был создан, благодаря возможности использования конструкции с мягкими обкладками и одного из вида изоляции: однослойной пленочной, пропитанной нефтяным маслом, или металлопленочной, частично либо совсем не пропитанной. За счет двукратного снижения мощности потерь по сравнению с пленочно-бумажным изолятором и достижения показателя в 0,05 Вт/киловар такие системы практически не нагреваются, что делает возможным их использование в среде с более высокими температурными режимами.

    Виды силовых конденсаторов

    Данные приборы классифицируются по сферам применения. Они могут быть предназначены для электроустановок и сетей разной частоты, устройств линий электропередач, фильтровых и импульсных приборов. У каждого есть свои особенности.

    Промышленной частоты

    Такие устройства призваны повышать мощности установок переменного электротока с показателем частоты в 50 Гц. Они могут эксплуатироваться в пределах температурного режима, не превышающего +50°С как в помещении, так и на открытом воздухе. Бывают одно- или трехфазными.

    Чтобы в случае перегрузки электросети из-за повышения напряжения питание конденсатора прерывалось автоматически, устанавливается реле тока. Наличие плавких предохранителей позволяет защитить его от последствий короткого замыкания. Включаются и отключаются такие приборы с помощью магнитных пускателей. Также есть возможность регулирования и отслеживания рабочего состояния по установленным индикаторам.

    Повышенной частоты

    Данный вид электроконденсаторов предназначается для увеличения мощности в специально-охлаждаемых установках с частотой в пределах 0,5–10 кГц. Комплект составляется из нескольких автономных секций с параллельным или при необходимости с последовательным соединением.

    К одной поверхности обкладок методом пайки прикрепляется змеевидно-изогнутая охлаждающая трубка из меди для подачи хладагента. Она же используется как токоподвод, при этом остальные обкладки с другой стороны конденсаторного комплекта изолируются и подсоединяются к токоподводам. При параллельном соединении секции располагаются ступенчато и имеют отдельные выводы на крышку корпуса по диэлектрикам из фарфора.

    Фильтровые

    Такие электроконденсаторы устанавливаются в контуры высокочастотных фильтров в специальных источниках электропитания всех видов электротранспорта. Они эксплуатируются при наличии любого вида напряжения с частотой 100–1600 Гц и не более 1 кВ переменного напряжения. Кроме того, такие устройства могут устанавливаться в преобразователи постоянного тока с тиристорно-импульсной системой управления.

    Применение электросиловых конденсаторов фильтрового типа позволяет сглаживать перепады в выпрямителях напряжения в электросети, в системах с удвоенным напряжением в электроизоляционном трансформаторном масле и в указанных выше контурах высокочастотных фильтров.

    Импульсные

    Специфика работы таких конденсаторов заключается в том, что заряд в них накапливается медленно, а разряд осуществляется быстрыми импульсами. Импульсно-силовые электроконденсаторы применяются в импульсных трансформаторах высокого напряжения, устройствах для магнитной штамповки и сейсморазведки, в дробилках горных пород.

    Они позволяют создавать и использовать в таких приборах плазму высокой температуры и максимально сильные импульсные токи. Также импульсно-силовые электроконденсаторы устанавливаются в устройства, создающие мощные световые импульсы, и лазерные исследовательские приборы.

    Другие типы

    Чтобы обеспечить стабильную мощность связи по линиям электропередач, а также телемеханику и защиту при частоте 36–750 кГц, применяются электросиловые конденсаторы с напряжением 36–500 кВ. Они изготавливаются в корпусах из фарфора и оснащены бумажной изоляцией с пропиткой минеральным маслом. Спецификой такой конструкции является наличие покрышек и крышек из фарфора, являющихся выводами, а также уплотнителей для обеспечения герметичности и масляных расширителей.

    Устройства с максимальным из указанного предела напряжением также могут использоваться в качестве измерительных приборов для определения напряжения на линиях электропередач или с целью отбора мощности для электроснабжения пунктов управления/переключения, расположенных вдоль высоковольтных ЛЭП.

    DUCATI – лидер среди производителей силовых конденсаторов

    Лидером среди производителей силовых конденсаторов является итальянская компания Ducati Energia.

    Итальянская компания DUCATI образовалась в Болонье в 1926 году. Три брата – Адриано, Бруно и Марчелло Дукати – увлекались радиотехникой и хотели её выпускать. Так появилась компания DUCATI. К выбору направления компаньоны подошли с практической стороны: в то время фашистское правительство в Италии транслировало пропагандистскую информацию по разным каналам, спрос на радиоточки в домах превышал предложение. Братья решили, что рынок сбыта их продукции обеспечен. Так и получилось – дела пошли хорошо. Уже в 1939 году на заводе DUCATI в Болонье работали 7000 человек.

    Вторая мировая война сказалась на промышленном производстве. В 40-е годы братья переориентировали производство на выпуск раций и оптических прицелов. Итальянское правительство регулярно давало им заказы, но после войны заказы иссякли, а предприятие национализировали. Национализация была вынужденной мерой – только так можно было сохранить рабочие места и обеспечить людей работой.

    В 1946 году начался новый виток развития бренда. DUCATI разделили на две компании: DUCATI Elettrotecnica и DUCATI Meccanica (ныне – DUCATI Motor). Первая специализировалась на производстве электроники, вторая – мотоциклов. Компания DUCATI energia образована в 1985 году путем слияния DUCATI Elettrotecnica и Zanussi Elettromeccanica. Она входит в число крупнейших промышленных производств Болоньи. В мире работают 6 её заводов, общая штатная численность – 1250 человек.

    Обзор лучших моделей DUCATI

    Ассортимент продукции Дукати состоит из моделей, применяемых цепях самого разного – от низкого до самого высокого – напряжения. Силовые конденсаторы Ducati используются для повышения и компенсации мощности в энергетических, радиотехнических, электротехнических, импульсных и резонансных установках и приборах. Производитель гарантирует срок службы в 130 000 часов при температурном режиме в пределах от -25 до +75⁰С.

    Среди моделей марки Ducati выделяются такие серии:

    1. GPX 84 – устройство общего назначения. Подходит для установок, работающих с высокой электронагрузкой в условиях повышенного температурного режима. Сохраняет стабильную емкость на протяжении всего периода эксплуатации. Преимущества модели заключаются в максимально прочной конструкции, которая усилена с помощью шинных соединений, а также в использовании особого пленочного диэлектрика, обеспечивающего работу с большим напряжением при высоких температурах и сохранение при этом неизменного уровня емкости.
    2. DC-85C и DC-86 PS – электроконденсаторы высокой плотности, созданные на основе инновационной пленки с повышенной кристалличностью, обеспечивающей самую высокую в данной отрасли емкость. Кроме того, в данных моделях расширен и диапазон допустимого температурного режима, который составляет от -40 до +105 °C, с гарантией срока службы в 100 000 часов.
    3. Modulo XD-416.46 – трехфазный фильтровый электроконденсатор переменного тока. Корпус из алюминия, соединительный зажим и добавочная крышка обеспечивают высокоэффективную работу в самых сложных условиях.

    Также следует отметить новые серии силовых конденсаторов Ducati – DC-3 и DCH-83. Это – устройства постоянного тока, отличительной особенностью которых является корпус из пластика в форме призмы и особая внутренняя конструкция, которая сводит к минимуму эффект поля и, соответственно, уровень ESL. В моделях сохранены все преимущества фирменной пленочной технологии с повышенной кристалличностью, обеспечивающей сохранение начального уровня емкости на весь период эксплуатации при максимальной нагрузке.

    DUCATI Energia Каталог Часть 1

    DUCATI Energia Каталог Часть 2

    DUCATI Energia Каталог Часть 3

    Про силовые конденсаторы DUCATI Energia

    Конденсатор связи

    По мере развития сети высоковольтных линий электропередачи, увеличения их протяженности и оснащения автоматикой возникает необходимость в надежной диспетчерской и административно-хозяйственной связи между отдельными пунктами, передаче сигналов телеизмерения, аварийного отключения выключателей, релейной защиты и других данных. Обычно такая связь осуществляется непосредственно по высоковольтным ЛЭП. Одним из элементов оборудования такой связи являются конденсаторы, которые отделяют аппаратуру связи от высокого напряжения частоты 50 Гц, пропуская сигналы высокой частоты по каналам связи. На основе этих же конденсаторов делаются устройства отбора мощности при частоте 50 Гц непосредственно от ЛЭП для питания измерительной аппаратуры и силового оборудования, а также измерительные устройства (делители, трансформаторы напряжения) — для измерения напряжения ЛЭП.

     

    Назначение

     

    • для обеспечения высокочастотной связи на частотах от 16 до 1500 кГц в линиях электропередачи номинальным напряжением 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750 кВ переменного тока частоты 50 и 60 Гц.
    • для присоединения аппаратуры связи к линиям электропередачи от 6 до 35 кВ и грозозащитным тросам.
    • конденсатор подвесного исполнения для отбора активной электрической мощности из сетей переменного тока частоты 50 Гц напряжением 110 кВ.

    Конденсаторы изготовлены в фарфоровых покрышках и пропитаны экологически безопасной жидкостью.

     

    Конструкция

     

    • Конденсаторы изготавливаются с применением плёночного диэлектрика. По согласованию с заказчиком возможно изготовление конденсаторов на номинальное напряжение 110/√3 кВ с бумажно-плёночным диэлектриком. В этом случае в обозначении типономинала конденсатора указывают буквы «БП».
    • Конденсаторы связи пропитаны экологически безопасной диэлектрической жидкостью, которая не входит в список запрещенных Стокгольмской конвенцией о стойких органических загрязнителях (2001 г.).

    Дополнительную информацию по конденсаторам связи можно найти в каталоге ВЧ-связи

     

     

    Конденсатор | ldsound.ru

    Конденсатор — это двухполюсник с определённым или переменным значением ёмкости и малой проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля.

    Список конденсаторов

    Конденсатор является пассивным электронным компонентом. В простейшем варианте конструкция состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. Практически применяемые конденсаторы имеют много слоёв диэлектрика и многослойные электроды, или ленты чередующихся диэлектрика и электродов, свёрнутые в цилиндр или параллелепипед со скруглёнными четырьмя рёбрами (из-за намотки).

    Изобрел первую конструкцию-прототип электрического конденсатора «лейденскую банку» в 1745 году, в Лейдене, немецкий каноник Эвальд Юрген фон Клейст и независимо от него голландский физик Питер ван Мушенбрук.

    Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течёт, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора, замыкаясь так называемым током смещения.

    При изменении частоты изменяются диэлектрическая проницаемость диэлектрика и степень влияния паразитных параметров — собственной индуктивности и сопротивления потерь. На высоких частотах любой конденсатор можно рассматривать как последовательный колебательный контур, образуемый ёмкостью, собственной индуктивностью и сопротивлением потерь.

    Резонансная частота конденсатора равна: fр = 1/ (2∏ ∙ √Lс ∙ C).

    При f > fp конденсатор в цепи переменного тока ведёт себя как катушка индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах f < fp, на которых его сопротивление носит ёмкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 2—3 раза ниже резонансной.

    Отечественные неполярные конденсаторы:

    На электрических принципиальных схемах номинальная ёмкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1 мкФ = 1·106 пФ = 1·10−6 Ф) и пикофарадах, но нередко и в нанофарадах (1 нФ = 1·10−9 Ф). При ёмкости не более 0,01 мкФ, ёмкость конденсатора указывают в пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу измерения, то есть постфикс «пФ» опускают. При обозначении номинала ёмкости в других единицах указывают единицу измерения. Для электролитических конденсаторов, а также для высоковольтных конденсаторов на схемах, после обозначения номинала ёмкости, указывают их максимальное рабочее напряжение в вольтах (В) или киловольтах (кВ). Например так: «10 мкФ x 10 В». Для переменных конденсаторов указывают диапазон изменения ёмкости, например так: «10 — 180».

    Основные параметры конденсаторов:

    1. Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками. Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до тысяч микрофарад. Однако существуют конденсаторы (ионисторы) с ёмкостью до десятков фарад.
    2. Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью — отношением ёмкости к объёму (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя.
    3. Плотность энергии электролитического конденсатора зависит от конструктивного исполнения. Максимальная плотность достигается у больших конденсаторов, где масса корпуса невелика по сравнению с массой обкладок и электролита.
    4. Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах. Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается, что связано с увеличением тепловой скорости движения носителей заряда и, соответственно, снижению требований для образования электрического пробоя.
    5. Полярность. Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса.

    Обозначение на схемах:

    Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность ёмкости, величину потерь и др.

    По виду диэлектрика различают:

    1. Конденсаторы вакуумные (между обкладками находится вакуум).
    2. Конденсаторы с газообразным диэлектриком.
    3. Конденсаторы с жидким диэлектриком.
    4. Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок.
    5. Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные — бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок.
    6. Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов прежде всего большой удельной ёмкостью. В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металлическом аноде. Вторая обкладка (катод) — это или электролит (в электролитических конденсаторах), или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесённый непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги или спечённого порошка. Время наработки на отказ типичнного электролитического конденсатора 3000-5000 часов при максимально допустимой температуре, качественные конденсаторы имеют время наработки на отказ не менее 8000 часов при температуре 105°С. Рабочая температура — основной фактор, влияющий на продолжительность срока службы конденсатора. Если нагрев конденсатора незначителен из-за потерь в диэлектрике, обкладках и выводах, (например, при использовании его во времязадающих цепях при небольших токах или в качестве разделительных), можно принять, что интенсивность отказов снижается вдвое при снижении рабочей температуры на каждые 10 °C вплоть до +25 °C. Твердотельные конденсаторы — вместо традиционного жидкого электролита используется специальный токопроводящий органический полимер или полимеризованный органический полупроводник. Время наработки на отказ ~50000 часов при температуре 85°С. ЭПС меньше чем у жидко-электролитических и слабо зависит от температуры. Не взрываются.

    Вакуумный конденсатор:

    Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения своей ёмкости:

    1. Постоянные конденсаторы — основной класс конденсаторов, не меняющие своей ёмкости (кроме как в течение срока службы).
    2. Переменные конденсаторы — конденсаторы, которые допускают изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление ёмкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды, варикапы) и температурой (термоконденсаторы). Применяются, например, в радиоприёмниках для перестройки частоты резонансного контура.
    3. Подстроечные конденсаторы — конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение ёмкости.

    Два бумажных электролитических конденсатора 1930 года:

    В зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят наиболее распространённые низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы.

    Серебрянный конденсатор для аудио.

    Также различают конденсаторы по форме обкладок:

    применений конденсаторов | Техвалла

    Конденсаторы обычно используются для хранения энергии в широком диапазоне электрических устройств.

    Конденсаторы представляют собой устройства, накапливающие электрический заряд. Они являются основным компонентом электроники и имеют множество различных применений. Чаще всего конденсаторы используются для хранения энергии. Дополнительные области применения включают преобразование мощности, соединение или развязку сигналов, электронную фильтрацию шума и дистанционное зондирование. Благодаря своему разнообразному применению конденсаторы используются в самых разных отраслях промышленности и стали жизненно важной частью повседневной жизни.

    Конденсаторы для хранения энергии

    Конденсаторы использовались для хранения электроэнергии с конца 18 века. Бенджамин Франклин был первым, кто придумал слово «батарея» для серии конденсаторов в приложении для хранения энергии. Отдельные конденсаторы, как правило, не удерживают много энергии, обеспечивая электроэнергию, достаточную только для использования электронными устройствами во время временных отключений электроэнергии или когда им требуется дополнительная мощность. Например, в автомобильные аудиосистемы включены большие конденсаторы, чтобы при необходимости обеспечить дополнительную мощность усилителям.

    Конденсаторы для стабилизации питания

    Одним из важных применений конденсаторов является кондиционирование источников питания. Конденсаторы пропускают сигналы переменного тока, но блокируют сигналы постоянного тока, когда они заряжены. Они могут эффективно разделять эти два типа сигналов, очищая источник питания. Этот эффект использовался для разделения или разъединения различных частей электрических цепей, чтобы уменьшить шум, который мог привести к снижению эффективности. Конденсаторы также используются на коммунальных подстанциях для противодействия индуктивной нагрузке, создаваемой линиями электропередачи.

    Конденсаторы как датчики

    Конденсаторы используются в качестве датчиков для измерения различных параметров, включая влажность воздуха, уровень топлива и механическую нагрузку. Емкость устройства зависит от его конструкции. Изменения в структуре могут быть измерены как потеря или увеличение емкости. В приложениях для измерения используются два аспекта конденсатора: расстояние между параллельными пластинами и материал между ними. Первый используется для обнаружения механических изменений, таких как ускорение и давление.Даже незначительного изменения материала между пластинами может быть достаточно, чтобы изменить емкость устройства — эффект, используемый при измерении влажности воздуха.

    Конденсаторы для обработки сигналов

    Конденсаторы находят все более широкое применение в информационных технологиях. Устройства с динамической оперативной памятью (DRAM) используют конденсаторы для представления двоичной информации в виде битов. Устройство считывает одно значение, когда конденсатор заряжен, и другое, когда он разряжен.В устройствах с зарядовой связью (ПЗС) используются конденсаторы в аналоговой форме. Конденсаторы также используются в сочетании с катушками индуктивности для настройки цепей на определенные частоты, эффект, используемый радиоприемниками, динамиками и аналоговыми эквалайзерами.

    Электрические конденсаторы в цепях переменного тока

    В выпуске Tailgate этого месяца мы обсудим функции конденсатора в цепи переменного тока (AC), включая заряд и разряд, применение и соединения в силовых цепях, а также безопасность конденсатора.

    Электрический конденсатор — это электрическое устройство, которое накапливает электричество или электрическую энергию и улучшает коэффициент мощности цепи переменного тока. Он состоит из трех основных частей. Две обычно представляют собой металлические пластины, разделенные и изолированные третьей частью, известной как диэлектрик. Заряд конденсатора зависит от размера и расстояния между проводящими пластинами и типа изолирующей или диэлектрической среды между пластинами.

    Все конденсаторы, независимо от типа, обозначаются по их зарядной емкости.Для цепей приборов, таких как двигатели и разрядное освещение высокой интенсивности, конденсаторы обозначаются фарадами, единицей электрической емкости, названной в честь британского ученого Майкла Фарадея. В распределении электроэнергии конденсаторы обозначаются в реактивных киловольт-амперах или кВАр для простоты применения. Счетчики спроса измеряют потребность в коэффициенте мощности в кВАр. Если двигательная нагрузка потребителя помещает на линию индуктивную нагрузку 700 квар, это можно исправить, подключив к линии емкостную мощность 700 квар.Это не так просто, но вы поняли идею.

    Зарядка и разрядка конденсатора в цепи переменного тока
    Конденсатор немного похож на батарею. Хотя они работают совершенно по-разному, конденсаторы и батареи хранят электрическую энергию. Вы знаете, что аккумулятор имеет две клеммы. Внутри батареи химические реакции производят электроны на одном выводе и поглощают электроны на другом. Конденсатор — гораздо более простое устройство, и он не может производить новые электроны — он только хранит их.

    Например, когда вы видите молнию в небе, вы видите огромный конденсатор. Одна пластина — это облако, другая пластина — это земля, а молния — это заряд, высвобождающийся между этими двумя пластинами. Очевидно, что в таком большом конденсаторе вы можете удерживать огромное количество заряда.

    Применение в силовых цепях
    Конденсаторы следует устанавливать осторожно и правильно. Как указывалось ранее, целью конденсатора является улучшение коэффициента мощности схемы.Конденсатор только корректирует коэффициент мощности от конденсатора обратно в систему. Конденсаторы не оказывают влияния на коэффициент мощности между конденсатором и реактивной нагрузкой, вызывающей коэффициент мощности. Неправильно примененные конденсаторы могут обеспечить больший реактивный ток, чем требуется нагрузке, что приводит к опережающему коэффициенту мощности и увеличению потерь вместо их уменьшения. Вот почему конденсаторы расположены после тщательного изучения системы квалифицированными инженерами.

    Соединения в силовых цепях
    Установка одного конденсатора или группы конденсаторов является простой процедурой после определения правильного размера и места установки.Конденсатор во многих отношениях проще в установке, чем трансформатор, потому что в нем нет вторичных вводов, а конденсатор представляет собой герметичный блок. В одних блоках две втулки, в других одна.

    Распределительные конденсаторы с двумя изолированными вводами обычно подключаются между фазами, но могут быть подключены фаза к земле. Конденсаторы с одним изолированным вводом обычно подключают фазой к изолированному вводу, а корпусом к земле. В установках подстанции конденсаторы распределительного напряжения соединены параллельно, разделяя фазные напряжения передачи.Они установлены на изолированном каркасе, который является частью межсоединения, работающего на фазном напряжении передачи. Любой, кто работает с любым конденсатором, должен хорошо знать, как он подключен и при каком напряжении работает.

    Вы также должны знать о постоянных конденсаторах и переключаемых конденсаторах. Эти термины просто относятся к способу подачи питания на конденсатор. Если он зафиксирован, ввод, подключенный к источнику, идет непосредственно к предохранителю. Этот предохранитель является единственным средством включения или выключения конденсатора.В случае коммутируемого конденсатора проходной изолятор, подключенный к источнику, идет к коммутационному устройству, включенному последовательно между предохранителем и конденсатором. Назначение этого переключающего устройства состоит в том, чтобы позволить конденсатору работать в то время, когда он наиболее необходим. Существует много типов элементов управления, которые определяют, должен ли конденсатор быть включен или выключен в зависимости от требований системы. Ниже приведены примеры средств управления и их наиболее частое применение:
    • Управление по времени используется в областях, где известно, что нагрузка возникает через определенные промежутки времени либо из-за промышленного использования, либо из-за бытовых требований.
    • Управление током используется в местах, где нагрузка клиента непостоянна и не всегда присутствует в одно и то же время суток.
    • Температурный контроль используется в областях, где сезонные изменения создают большую индуктивную нагрузку на систему (например, кондиционирование воздуха). В основном доступны два основных регулятора температуры: включение при 85 градусах и выключение при 65 градусах или включение при 90 градусах и отключение при 70 градусах.
    • Управление напряжением используется в областях, где нагрузка вызывает падение напряжения в системе, которое можно легко контролировать.Регуляторы напряжения также часто используются в сочетании с регуляторами времени, тока и температуры.
    • Ручное управление используется для более легкого отключения переключаемой группы, которая часто используется для сезонной нагрузки.

    Безопасность конденсаторов
    Хотя конденсаторы являются простыми устройствами, они чрезвычайно опасны после отключения от эксплуатации, поскольку могут сохранять заряд. Они должны быть построены с стабилизирующими резисторами, которые снижают их напряжение до менее чем 50 вольт через пять минут.Однако никогда ничего не принимайте как должное. Крайне важно подождать пять минут после отсоединения, а затем закоротить втулки проволочной перемычкой с помощью ружейной палки. Перед началом работы с любым конденсатором, установленным на столбе, всегда выполняйте следующие процедуры, поскольку конденсатор может удерживать заряд без каких-либо признаков того, что он это делает.

    При выводе конденсаторов из эксплуатации невозможно выделить следующие шаги:
    • Отключить от источника.
    • Подождите пять минут, пока разрядится заряд.
    • Замкните накоротко втулки или, в случае конденсаторов с одной втулкой, закоротите втулку и корпус.
    • Сохраняйте короткозамыкающее соединение до тех пор, пока конденсатор не будет подключен для обслуживания.

    Об авторе: Джон Мортон, CUSP, начал свою карьеру в электротехнической промышленности в 1970 году в качестве наземного работника компании Houston Lighting and Power, теперь известной как CenterPoint Energy. В 1997 году он устроился на работу в службу распространения знаний Техасского университета A&M в качестве инструктора по электротехнике и связи, а в 2004 году он занял свою нынешнюю должность директора по безопасности и обучению в Willbros T&D Services в Техасе.

     

    Циклическая вольтамперометрия, EIS, проверка электрохимических конденсаторов на ток утечки

    Введение

    Суперконденсаторы представляют собой устройства для накопления энергии, аналогичные вторичным батареям. В отличие от батарей, в которых для хранения энергии используются химические реакции, суперконденсаторы обычно накапливают энергию за счет физического разделения электрических зарядов.

    Все суперконденсаторы состоят из двух электродов, погруженных в проводящую жидкость или проводящий полимер, называемый электролитом.Электроды разделены сепаратором с ионной проводимостью, который предотвращает короткое замыкание.

    По сравнению с батареей суперконденсатор имеет следующие преимущества:

    1. Более высокая скорость заряда и разряда (высокая удельная мощность)
    2. Увеличенный срок службы (> 100 000 циклов)
    3. Материалы с низкой токсичностью
    4. Работа в широком диапазоне температур
    5. Низкая стоимость цикла

    Это компенсируется некоторыми недостатками:

    1. Более высокая скорость саморазряда
    2. Меньшая плотность энергии
    3. Нижнее напряжение ячейки
    4. Плохая регулировка напряжения
    5. Высокая начальная стоимость

    Текущие области применения суперконденсаторов включают:

    1. Гибридные электромобили (ГЭМ)
    2. Системы запуска дизельных двигателей
    3. Аккумуляторные электроинструменты
    4. Аварийные системы и системы безопасности

    Во многих приложениях суперконденсатор используется параллельно с батареей, что обеспечивает более длительный срок службы и более высокую мощность, чем у одной батареи.Для получения дополнительной информации прочитайте книгу Брайана Конвея о технологии суперконденсаторов1.

    Настоящие указания по применению являются первой частью состоящего из двух частей обзора электрохимических методов, используемых для тестирования устройства или технологии суперконденсаторов. В части 1 обсуждаются методы, знакомые электрохимикам, а в части 2 обсуждаются методы, знакомые технологам аккумуляторов.

    Коммерческие конденсаторы были испытаны для получения результатов, используемых при обсуждении методов. Данные в этом примечании были записаны в системе Gamry Instruments с возможностью EIS.Все графики были созданы с использованием программного обеспечения Gamry.

    Позиции в желтых коробках относятся к продуктам Gamry.

     

    Аналогичная технология – названия путаницы

    Традиционный двухслойный электрический конденсатор (EDLC) использует накопление электростатического заряда для хранения энергии. Электроны в каждом электроде и ионы в электролите образуют двухслойный конденсатор. Типичная емкость двойного электрохимического слоя составляет 20 мкФ/см 2 .Емкость микропористого углерода с площадью поверхности 1000 м 90 150 2 90 151 /г может достигать 200 Ф/г.

    Некоторые устройства, которые мы называем псевдоконденсаторами, сохраняют заряд посредством обратимых фарадеевских реакций на поверхности одного или обоих электродов. Когда напряжение электрода пропорционально покрытию поверхности, а покрытие поверхности пропорционально степени заряда, эти устройства ведут себя идентично конденсаторам. Подробнее об этих устройствах см. в книге Конвея.

    К сожалению, в технических документах и ​​коммерчески доступных продуктах используется много названий для EDLC и псевдоконденсаторов.К ним относятся:

    1. Суперконденсаторы
    2. Ультраконденсаторы
    3. Аэрогелевые конденсаторы
    4. Конденсаторы электрические двухслойные

    Если не указано иное, в этом примечании термин «суперконденсатор» используется для обозначения всех устройств с большой емкостью, независимо от механизма накопления заряда.

    Идеальные конденсаторы

    Конденсатор — это устройство для хранения электрического заряда. Напряжение идеального конденсатора пропорционально заряду, запасенному в конденсаторе:

    CV = Q

    C — емкость в фарадах;

    В – напряжение между выводами прибора в вольтах;

    Q — заряд конденсатора в кулонах, в ампер-секундах.

    Уровень заряда конденсатора легко измерить: он пропорционален напряжению. Напротив, измерение состояния заряда батареи может быть затруднено.

    Энергия, запасенная в конденсаторе:

    E = ½CV 2

    E – энергия в джоулях.

    Мощность, потребляемая конденсатором при разрядке, зависит от напряжения конденсатора и электрического тока:

    P = VI

    P – мощность в ваттах;

    В — напряжение конденсатора в вольтах;

    I — разрядный электрический ток в амперах.

    Идеальный конденсатор не теряет мощность или энергию во время заряда или разряда, поэтому приведенное выше уравнение также можно использовать для описания процесса заряда. Идеальный конденсатор без протекания тока будет хранить энергию и заряжаться вечно.

    Неидеальные конденсаторы

    Идеальных конденсаторов не существует, поскольку настоящие конденсаторы имеют ограничения и недостатки. Тесты, описанные в этих указаниях по применению, измеряют эти ограничения.

    Ограничения по напряжению

    В описании идеальных конденсаторов не упоминаются ограничения по напряжению.Конденсаторы могут работать только в «окне напряжения» с верхним и нижним пределом напряжения. Напряжения за окном могут вызвать разложение электролита и повреждение устройства.

    Электролиты конденсаторов могут быть водными или неводными. В то время как водные электролиты, как правило, безопаснее и проще в использовании, конденсаторы с неводными электролитами могут иметь гораздо более широкий диапазон напряжения.

    Когда это было написано, коммерческие одноэлементные суперконденсаторы имели верхний предел напряжения ниже 3.5 В. Высоковольтные устройства имеют несколько последовательно соединенных ячеек.

    Все серийно выпускаемые суперконденсаторы должны быть однополярными: напряжение на плюсовой (+) клемме должно быть больше положительного, чем на минусовой (–) клемме. Таким образом, нижний предел напряжения равен нулю.

    ESR

    Настоящие конденсаторы теряют мощность во время заряда и разряда. Потери вызваны сопротивлением электродов, контактов и электролита. Стандартный термин для этого сопротивления — эквивалентное последовательное сопротивление (ESR).ESR указано в технических характеристиках большинства коммерческих конденсаторов.

    Одной из простейших моделей реального конденсатора является ESR последовательно с идеальным конденсатором. Потери мощности, P потери , во время зарядки или разрядки равны ESR, умноженному на квадрат тока:

    P потери = I 2 · ESR

    Эта мощность теряется в виде тепла — в экстремальных условиях тепла достаточно, чтобы повредить устройство.

    Ток утечки

    Ток утечки — еще одна неидеальность конденсатора.Идеальный конденсатор поддерживает постоянное напряжение без протекания тока из внешней цепи. Реальные конденсаторы требуют тока, называемого током утечки, для поддержания постоянного напряжения.

    Ток утечки можно смоделировать как сопротивление, параллельное конденсатору. Эта модель чрезмерно упрощает зависимость тока утечки от напряжения и времени.

    Ток утечки разряжает заряженный конденсатор, который не имеет внешних соединений с его выводами. Этот процесс называется саморазрядом.

    Обратите внимание, что ток утечки 1 мкА на конденсаторе 1 Ф, находящемся под напряжением 2,5 В, подразумевает сопротивление утечки 2,5 МОм. Постоянная времени процесса саморазряда на этом конденсаторе составляет 2,5 × 10 6 секунд — почти месяц.

    Влияние времени

    Постоянная времени τ для заряда или разряда идеального конденсатора, соединенного последовательно с ESR, составляет:

    τ = ESR · C

    Обычно τ составляет от 0,1 до 20 секунд. Скачок напряжения в конденсаторе с ESR должен создавать ток, который экспоненциально спадает до нуля.В устройстве с током утечки спад тока после шага останавливается при токе утечки.

    Коммерческие суперконденсаторы не демонстрируют такого простого поведения. Как видно ниже, коммерческие конденсаторы, находящиеся под постоянным потенциалом, часто требуют дней, чтобы достичь заданного тока утечки. Необходимое время намного больше, чем предсказывает τ.

    Одним из кратковременных воздействий на конденсатор является явление, которое инженеры-электрики называют диэлектрической абсорбцией. Диэлектрическое поглощение вызвано неэлектростатическими механизмами накопления заряда с очень большими постоянными времени.

    Временные эффекты могут быть вызваны медленными фарадеевскими реакциями, происходящими на дефектах поверхности электродного материала. Углеродные поверхности, используемые для большинства суперконденсаторов, имеют кислородсодержащие группы (гидроксильные, карбонильные и т. д.), которые являются вероятными местами реакции.

    Эффекты времени также могут быть побочным эффектом пористости, присущей электродам большой емкости. Сопротивление электролита увеличивается с расстоянием до поры. Таким образом, на разных участках поверхности электрода наблюдается разное сопротивление.Как обсуждается ниже, это усложняет модель простого конденсатора плюс ESR до модели с распределенными элементами или линией передачи.

    Срок службы

    Идеальный конденсатор может заряжаться и разряжаться бесконечное количество циклов. Многие коммерческие суперконденсаторы подходят к этой идее: они рассчитаны на 10 5 или даже 10 6 циклов заряда/разряда. Спецификации срока службы вторичной батареи обычно составляют сотни циклов.

    Срок службы всех перезаряжаемых устройств зависит от конкретных условий, при которых происходит циклирование.Токи, пределы напряжения, история устройства и температура — все это важно.

    Циклическая вольтамперометрия (CV)

    Циклическая вольтамперометрия (CV) является широко используемым электрохимическим методом. В начале проекта разработки конденсатора CV дает основную информацию о емкостном электрохимическом элементе, включая:

    • Окно напряжения
    • Емкость
    • Срок службы

    Подробное описание циклической вольтамперометрии выходит далеко за рамки данных указаний по применению.В большинстве книг, описывающих лабораторную электрохимию, есть по крайней мере одна глава, посвященная CV.

    Описание циклической вольтамперометрии

    CV отображает ток, протекающий через гальванический элемент, когда напряжение колеблется в диапазоне напряжений. В развертке используется линейная рампа напряжения. Часто при тесте CV постоянно колеблется напряжение между двумя предельными потенциалами. Пара разверток в противоположных направлениях называется циклом.

    На рис. 1 представлен эксперимент CV в виде графика зависимости напряжения и тока конденсатора от времени.Зубчатые волны более темного цвета представляют собой напряжение, приложенное к ячейке; осциллограммы более светлого цвета — это измеренный ток. На этом графике показан CV-тест с тремя с половиной циклами. Каждый цикл показан другим цветом.

    Рис. 1. Циклическая вольтамперометрия как зависимость напряжения конденсатора от времени.
    На более темные линии подается напряжение; более светлые линии — измеренный ток.
    Каждый цикл имеет свой базовый цвет.

     

    CV можно запускать с двух- или трехэлектродными соединениями ячеек.

    В фундаментальных исследованиях широко распространены трехэлектродные соединения, позволяющие изучать один электрод изолированно, без осложнений, связанных с электрохимией других электродов. Три электрода:

    • Рабочий электрод , электрод, который проверяется.
    • Электрод сравнения , электрод с постоянным электрохимическим потенциалом.
    • Противоэлектрод , как правило, инертный электрод, присутствующий в ячейке для замыкания цепи.

    На рис. 2 показана установка Gamry для CV-теста.

    Рис. 2. Окно настройки циклической вольтамперометрии .
    Четыре параметра напряжения определяют диапазон развертки CV Gamry. Сканирование начинается с исходного значения E , увеличивается до Предел сканирования 1 , разворачивается и переходит к Предел сканирования 2 . Дополнительные циклы начинаются и заканчиваются на Scan Limit 2 . Сканирование заканчивается на Final E .


    Для тестирования корпусных конденсаторов требуется двухэлектродное соединение.Все потенциостаты могут работать с двухэлектродными соединениями. Просто подключите электрод сравнения и противоэлектрод к одной стороне конденсатора. Подсоедините провод рабочего электрода (и провод рабочего датчика, если он имеется) к другой стороне.

    Развертка напряжения, приложенная к идеальному конденсатору, создает ток, определяемый выражением

    , где I — ток в амперах, а — скорость развертки линейного изменения напряжения.

    Скорость сканирования напряжения для тестирования суперконденсаторов обычно находится в пределах от 0.1 мВ/с и 1 В/с. Скорости сканирования в нижней части этого диапазона позволяют выполнять медленные процессы, но требуют много времени для тестирования. Быстрое сканирование часто показывает меньшую емкость, чем более медленное сканирование. Этот эффект обсуждается ниже.

    Будьте осторожны: для быстрого сканирования мощных конденсаторов может потребоваться больший ток, чем прибор может выдать или измерить. Максимально допустимая скорость сканирования:

    , где I max — максимальный ток прибора в амперах.

    График теоретической циклической вольтамперометрии

    CV строится с током по оси y и напряжением по оси x.Рис. 3 представляет собой теоретический график CV для конденсатора 3 Ф, включенного последовательно с ESR 50 мОм.

    Рис. 3. Теоретическая циклическая вольтамперометрия для конденсатора 3 Ф, включенного последовательно с ESR 50 мОм.

    Скорость сканирования составляет 100 мВ/с. Пределы сканирования:

    • Начальный E            0,0 В     • Предел сканирования 1     2,4 В

    • Конечный E             0,0 В     • Предел сканирования 2    –0,5 В

    Стрелки начала сканирования показаны на графике вместе с направлением графика. сканирование.Второй цикл показан красным.

    Если бы эта CV была записана на идеальном конденсаторе (без ESR), график CV был бы прямоугольником с высотой:

            

    прямоугольник. Постоянная времени τ, рассмотренная выше, управляет скруглением углов.

    Циклическая вольтамперометрия на конденсаторе EDLC 3 Ф

    Большинство данных этой заметки были записаны с использованием коммерческих конденсаторов EDLC 3 Ф.Испытывались детали Nesscap2, номер детали ESHSR-0003C0-002R7.

    Циклическая вольтамперограмма 100 мВ/с конденсатора 3 Ф (рис. 4) иллюстрирует, как CV может определять окно напряжения конденсатора. Обратите внимание на сходство этого графика с теоретическим графиком CV, показанным выше.

    Рис. 4. Циклическая вольтамперограмма конденсатора 3 Ф между +5 В и –3 В, при 100 мВ/с.
    Область, заштрихованная розовым цветом, представляет собой интегрирование одного сегмента (1,5–2,5 В) этой кривой.

    Пределы напряжения, введенные в настройках, были +5 и –3 В.Сканирование было вручную реверсировано, когда ток начал резко увеличиваться. Скорость сканирования была достаточно низкой, чтобы у пользователя было время среагировать на увеличение тока. Инверсия произошла при напряжении 3,5 В, что значительно превышает допустимые для этого конденсатора значения 2,7 В. Отрицательная развертка также была изменена вручную.

    В программном обеспечении Gamry Framework выбор F2-Skip меняет развертку на противоположную.

    Интегрирование сегмента этой кривой показывает расчет емкости по данным CV.Интегральная область (между 1,5 и 2,5 В) выделена розовым цветом.

    Выберите диапазон интегрирования с помощью программного обеспечения Выберите диапазон с помощью функции клавиатуры .

    Интегрирование дало значение заряда, показанное на кривой. Емкость рассчитывается на основе Q и интегрированного диапазона напряжений:

     

    Расчетная емкость зависит от скорости сканирования CV, диапазона напряжений, используемого при интегрировании, и множества других переменных.

    Неидеальность конденсатора не позволяет вычислить истинное значение емкости для реального суперконденсатора. Коммерческие суперконденсаторы имеют определенное значение емкости, действительное при измерении с помощью определенного эксперимента. Другие экспериментальные методы, включая CV, EIS и многие долгосрочные потенциостатические и гальваностатические тесты, могут давать очень разные значения емкости.
     Циклическая вольтамперометрия, нормализованная по частоте сканирования

    Для демонстрации зависимости CV от скорости сканирования использовался второй конденсатор.Вольтамперограммы регистрировали при скоростях сканирования 3,16, 10, 31,6, 100 и 316 мВ/с. Конденсатор выдерживали при 0,0 В в течение 10 мин между сканированиями. Пределы сканирования составляли 0,0 и 2,7 В.

    Gamry Sequence Wizard — удобный инструмент для постановки сложных экспериментов, подобных этому. Задержка при нулевом напряжении и тест CV были помещены внутрь контура. Между тестами скорость сканирования умножалась на √10.

    График данных, полученных в результате этих сканирований, показан на рисунке 5.Фиолетовая кривая была записана при самой высокой скорости сканирования, а красная кривая — при самой низкой скорости сканирования.


    Рис. 5. Зависимость данных циклической вольтамперометрии от скорости сканирования. Фиолетовый самый быстрый; красный самый медленный.

    На рис. 5 показаны эти вольтамперограммы, нормализованные путем деления всех токов на скорость сканирования.

    Используйте CV Echem Analyst, Normalize By Scan Rate для нормализации данных CV. Выберите каждую кривую в наложенных данных с помощью селектора кривых перед выполнением этой команды.Нормализация создает новую кривую с NSR в имени файла кривой.

     

    Рис. 6. Те же CV-данные, что и на рис. 4, но нормализованные по скорости сканирования.

    CV-кривые идеального конденсатора, нормализованные по скорости сканирования, накладываются друг на друга: емкость не зависит от скорости сканирования. После нормализации единицы измерения по оси Y А·с·вольт –1 становятся емкостью в фарадах.

    Суперконденсаторы не идеальны, поэтому нормированные графики не накладываются друг на друга.В этом примечании ось Y нормированной по скорости сканирования кажущейся емкости CV называется C app .

    На рисунке 6 C app составляет ~2,5 F на кривой с самой высокой скоростью сканирования (фиолетовый). Эта кривая напоминает CV идеального конденсатора плюс ESR. По мере уменьшения скорости сканирования (синий, зеленый, желтый и красный) значение C app возрастает и показывает зависимость от напряжения. Это ожидается для химических реакций, управляемых напряжением. Зависимость

    C app от скорости сканирования можно объяснить кинетически медленными фарадеевскими реакциями на поверхности электрода и поведением линии передачи, вызванным пористостью электрода.Оба вызывают увеличение C app при более низких скоростях сканирования.

    В случае наличия медленных поверхностных реакций быстрое сканирование завершается до того, как происходят реакции, поэтому весь ток обусловлен емкостью. Фарадеев ток успевает течь, когда скорость сканирования медленнее, увеличивая общий ток и C app .

    Модель с распределенными элементами показывает аналогичное поведение скорости сканирования. Поверхность электрода, имеющая высокое сопротивление электролиту, не успевает отреагировать на изменение напряжения при быстром сканировании.По сути, доля поверхности электрода, доступная для электролита, зависит от скорости сканирования.

    Циклическая вольтамперометрия для оценки срока службы

    CV также может различать плохой срок службы и потенциально полезный срок службы.

    Рисунок 7, график CV ниже, показывает 50 циклов между 1,0 и 2,7 В, записанных с использованием конденсатора 3 Ф. Первый, десятый и пятидесятый циклы показаны синим, зеленым и красным цветом.

    Рисунок 7 . 50 циклов данных CV.Синий = цикл 1; зеленый = цикл 10 и красный = цикл 50.

    Данные очень мало изменились между десятым и пятым циклами. Таким образом, этот конденсатор заслуживает испытания на цикличность с использованием методов циклического заряда-разряда (описанных в части 2 настоящих указаний по применению).

    Циклическая вольтамперометрия на псевдоконденсаторе

    Измерения CV на псевдоконденсаторе отличаются от результатов, измеренных на истинном EDLC. Мы протестировали конденсатор PAS емкостью 1 Ф от Taiyo Yuden3 (номер детали PAS0815LR2R3105).PAS расшифровывается как Polyacenic Semiconductor, представляющий собой проводящий полимер, нанесенный на электроды.

    CV-тесты проводились на этом устройстве при 3,16, 10, 31,6, 100 и 316 мВ/с. Диапазон сканирования составлял от 0,0 до 2,4 В. Конденсатор оставался на уровне 0,0 В в течение 10 минут между сканированиями.

    На рис. 8 показаны CV-кривые после нормализации по частоте сканирования. Красная кривая была записана при самой низкой скорости сканирования, а фиолетовая — при самой высокой. Ось Y — кажущаяся емкость.

    По сравнению с нормализованным графиком CV для EDLC на рис. 5 есть одно существенное отличие.Приложение C app устройства зависит от напряжения на всех скоростях сканирования. Это ожидаемо, учитывая фарадеевскую природу накопления заряда в этом псевдоконденсаторе.

    Рис. 8. CV для псевдоконденсатора Taiyo Yuden,
    нормализовано по скорости сканирования. Красный — самая высокая скорость сканирования; фиолетовый самый медленный.

    Спектроскопия электрохимического импеданса

    Спектроскопия электрохимического импеданса (EIS) является предпочтительным методом измерения ESR суперконденсаторов. EIS также может измерять емкость и неидеальность конденсатора.Для получения основной информации об EIS см. примечания по применению Гэмри «Основы спектроскопии электрохимического импеданса».

    Модель EIS для суперконденсатора

    Наиболее распространенной моделью, подходящей для спектров EIS суперконденсатора, является упрощенная модель Рэндлса:

    Рисунок 9. Эквивалентная схема Рэндлса для моделирования суперконденсаторов.

    Элементы в модели:
    C                Идеальная емкость
    ESR             Эквивалентное последовательное сопротивление
    Rleakage      Сопротивление утечки

    Значения, использованные для построения рисунка 10, были выбраны для приближения к значениям типичного устройства EDLC.Величина EIS показана кружками, а фаза показана крестиками.

    Рис. 10. Идеальная диаграмма Боде эквивалентной схемы на рис. 8, с C = 1 Ф, ESR = 100 мОм и Rleakage = 100 кОм.

    Спектр Боде на рисунке 9 состоит из трех областей:

    • Выше 10 Гц амплитуда и фаза приближаются к 100 мОм и 0°. СОЭ доминирует в этом регионе.
    • В диапазоне частот от 100 мкГц до 10 Гц емкость определяет импеданс. Зависимость амплитуды от частоты является линейной (на логарифмической логарифмической диаграмме Боде) с наклоном –1, а фаза приближается к –90°.
    • Ниже 10 мкГц импеданс начинает переход обратно к резистивному поведению, поскольку сопротивление утечки становится доминирующим. Этот переход неполный даже на частоте 1 мкГц. Спектры EIS реальных устройств редко дают много информации о сопротивлении утечки, потому что его эффекты видны на непрактически низких частотах.
    Режим измерения EIS

    Gamry EIS300 может измерять EIS с использованием трех различных режимов управления:

    • Потенциостатический EIS
    • Гальваностатический EIS
    • Гибрид EIS

    Потенциостатический и гальваностатический режимы управляют напряжением и током ячейки соответственно.Гибридный режим использует гальваностатическое управление ячейкой, но изменяет переменный ток, чтобы поддерживать фиксированную реакцию на переменное напряжение.

    Гальваностатический и гибридный режимы EIS предпочтительны для ячеек с очень низким импедансом, где небольшие ошибки в постоянном напряжении могут создавать огромные постоянные токи.

    Сопротивление конденсаторов 3 Ф, используемых для генерации данных для этой заметки, достаточно велико, чтобы можно было использовать любой режим управления. Потенциостатический режим является наиболее распространенным режимом EIS, поэтому был выбран именно этот режим.

    Спектры EIS 3F EDLC при различных потенциалах

    На рисунке 11 представлен график Боде спектров EIS 3F EDLC, записанных при трех потенциалах постоянного тока: 0.0, 1,25 и 2,50 В (синий, зеленый и красный). Конденсатор выдерживали при постоянном напряжении в течение 10 мин между наборами спектров. Спектры измеряли потенциостатически при переменном напряжении 1 мВ RMS.

    Мастер последовательности Gamry также использовался для записи этих данных. Цикл содержал как этап уравновешивания, так и сбор данных EIS.

    Рис. 11. График Боде для 3 F EDLC при 0,0 В (синий), 1,25 В (зеленый) и 2,50 В (красный).

     

    Эти спектры существенно отличаются от идеального в предыдущем разделе.Различия включают:

    • Отсутствие признаков сопротивления утечки в этом диапазоне частот.
    • Фаза между 1 Гц и 100 Гц никогда не приближается к предсказанию 0° простой модели.

    Спектр идеального конденсатора не зависит от постоянного напряжения. Очевидно, что EDLC, характеризуемый этими спектрами, показывает неидеальность от 1 Гц до 10 кГц.

    Подгонка модели к спектру

    Спектр импеданса на рисунке 12 был измерен на EDLC 3 F при 2.25 В. Данные записывали при возбуждении 1 мВ и потенциостатическом контроле клеток. Зеленые линии на этом графике представляют собой модифицированную модель Рэндлса, соответствующую данным. Параметры FIT:

    C 2,51 F ± 12 мФ

    ESR 62 MF ± 314 μω

    R Утечка

    R Утечка 773 Ω ± 59 Ом

    Рисунок 12. БОД-участник 3 F EDLC при 2,25 В, с Подгонка модели Рэндлса (зеленая сплошная линия) и пористого электрода с подгонкой линии передачи (сплошная красная линия).

    Совпадение на рисунке 12 между моделью Рэндлса и спектром плохое.Это типично для ЭИС на конденсаторах EDLC, где пористость электрода приводит к очень неравномерному доступу электролита к поверхности электрода, поэтому происходят фарадеевские реакции. Простые резисторно-конденсаторные модели не применяются.

    Соответствие данным намного лучше при использовании модели с пористым электродом и линией передачи, когда используется открытый элемент Бискерта (рис. 13).

    Рис. 13. Модель с пористым электродом и линией передачи, используемая в моделировании на Рис. 11.

    Подгонка выделена красным цветом на рис. 11.Параметры подходящих:

    R м 112 ммΩ ± 22 Mω

    R K 2 × 10 30 Ω ± 1 × 10 38 Ω

    y м (CPE) 2,3 с · с /A ± 0,15 См·с/A

    α (CPE)        0,960 ± 0,033

    ESR       50 × 10 –3 Ом ± 639 × 10 –6 Ом

    3 примечание «Демистификация линий передачи: что это такое? Почему они полезны?»

    Ожидается высокая неопределенность в R k .Спектр не включает частоты, где R k влияет на импеданс.

    Спектр EIS конденсаторов с низким ESR 650 F EDLC

    Измерение EIS на конденсаторах с очень низким ESR затруднено. Обычно требуется:

    • Истинные четырехконтактные измерения
    • Контроль гальваностатической ячейки
    • Контакты с низким сопротивлением
    • Витая пара или коаксиальные провода

    В двух примечаниях по применению Gamry содержатся рекомендации по проведению измерений ЭИС с низким импедансом:

    «Точность контурных диаграмм»

    «Проверка низкоимпедансной ЭИС с использованием резистора 1 мОм»

    Спектры ЭИС были записаны на конденсаторе Maxwell4 (номер детали BCAP0650 P270).Этот конденсатор на 650 Ф был рассчитан на ESR менее 600 мкОм на частоте 1 кГц.

    На рис. 14 представлена ​​фотография, на которой показаны соединения, используемые для записи спектра EIS этого устройства. Соединения выполнены медным листом толщиной 1,5 мм. Токоведущие и измерительные провода находятся на противоположных сторонах устройства.

    Рис. 14. Соединения от потенциостата к конденсатору Максвелла.

      Предупреждение. Избегайте короткого замыкания клемм конденсатора через соединения с низким сопротивлением.Могут протекать очень опасные токи в сотни и даже тысячи ампер.

    Спектр ЭИС представлен на рисунке 15. Этот спектр был записан в гибридном режиме при напряжении переменного тока 1 мВ. Импеданс на частоте 1 кГц составляет 335 мкОм, что меньше номинального ESR этого конденсатора, равного 600 мкОм.

    Рис. 15. EIS от 650 F EDLC.

     

    ЭИС на псевдоконденсаторе

    Спектры ЭИС, записанные на идеальном конденсаторе при различных напряжениях постоянного тока, должны накладываться друг на друга.

    EIS подтверждает зависимость измеренной емкости от напряжения на псевдоконденсаторе PAS. Это тот же конденсатор, который ранее использовался для тестирования CV. Спектры ЭИС записывали при постоянном напряжении 0, 1,2 и 2,4 В (рис. 16). В отличие от случая EDLC, низкочастотный импеданс был разным при каждом напряжении.

    Рис. 16. EIS для псевдоконденсатора PAS при 0 (синий), 1,2 (зеленый) и 2,4 В (красный).

    В простой модели Рэндлса емкость управляет импедансом на самых низких частотах на графике выше.На графике выше импеданс в этой области зависит от постоянного напряжения, поэтому емкость также должна зависеть от постоянного напряжения.

    Измерение тока утечки

    Ток утечки можно измерить как минимум двумя способами:

    • Подайте постоянное напряжение на конденсатор и измерьте ток, необходимый для поддержания этого напряжения.
    • Зарядите конденсатор до фиксированного напряжения, затем разомкните цепь на конденсаторе и измерьте изменение напряжения во время саморазряда.

    Книга Конвея включает главу, в которой обсуждаются токи утечки и саморазряд суперконденсаторов.

    Чтобы характеристики суперконденсатора выглядели хорошо, некоторые производители указывают, что ток утечки измеряется через 72 часа при подаче напряжения. В этих условиях ток утечки может составлять всего 1 мкА/Ф.

    Прямое измерение тока утечки

    Прямое потенциостатическое измерение тока утечки конденсатора является довольно сложной задачей. Тест должен прикладывать потенциал постоянного тока к тестируемому конденсатору и измерять очень малые токи.

    Обычно токи зарядки конденсаторов выражены в амперах, а токи утечки — в микроамперах в диапазоне 10 6 .Шум или дрейф потенциала постоянного тока могут создавать токи, превышающие ток утечки.

    Например, предположим, что конденсаторы 3 Ф, использованные в нашем тестировании, имеют ESR 100 мОм. Мы хотим измерить на них ток утечки 1 мкА: мы хотим, чтобы токовый шум был меньше, чем сигнал 1 мкА.

    На частотах, где ESR является преобладающим импедансом, 0,1 мкВ шума в приложенном напряжении создаст шумовой ток 1,0 мкА. На более низких частотах, где наша емкость 3 Ф доминирует над импедансом, дрейф напряжения равен 0.3 мкВ/с создает ток 1,0 мкА.

    Быстрое получение данных, внешние источники шума или отсутствие клетки Фарадея могут привести к большим кажущимся постоянным токам или постоянному переключению между диапазонами тока.

    Потенциостатический тест в программном обеспечении Gamry не позволяет точно измерить ток утечки, поскольку он предлагает только динамический диапазон около 104.
    Программное обеспечение для электрохимической энергии Измерение тока утечки

    На рис. 17 представлен ток утечки, измеренный на новом конденсаторе 3 Ф.График представляет собой логарифм зависимости тока от времени в течение пяти дней при 2,5 В.

    Рис. 17. Ток утечки от времени для конденсатора 3 Ф.

    Обратите внимание, что ток все еще падает через пять дней после подачи потенциала. Производитель указывает ток утечки на этом конденсаторе менее 5 мкА через 72 часа; измеренное значение составило около 3,2 мкА.

    Данные на этом графике были сглажены с использованием алгоритма Савицкого-Голея с окном 60 с. Периодический шумовой сигнал вызван дневным кондиционированием воздуха.

    Для прямого измерения тока утечки с помощью инструментов PWR800 был разработан специальный скрипт. Этот скрипт называется:

    В отличие от потенциостатического метода PWR800, этот сценарий подает напряжение в режиме потенциостата прибора и измеряет ток утечки.

    Он использует введенную пользователем оценку для ESR, чтобы избежать диапазонов I/E преобразователя, где шум напряжения может перегрузить схему измерения тока. Коэффициент усиления 10 при измерении тока позволяет проводить измерения с десятикратно большими шумами напряжения и дрейфом.

     Измерение саморазряда

    Саморазряд вызывает снижение напряжения холостого хода заряженного конденсатора с течением времени. Во время саморазряда ток утечки разряжает конденсатор даже при отсутствии внешнего электрического тока.

    В книге Конвея описаны три механизма саморазряда. Эти механизмы можно различить, анализируя форму кривых зависимости напряжения от времени, записанных в течение длительных периодов времени.Этот анализ не был сделан на данных, представленных здесь.

    Мгновенный ток утечки, I утечка , можно рассчитать, умножив скорость изменения напряжения во время саморазряда на емкость.

    На приведенном ниже графике представлена ​​кривая зависимости напряжения холостого хода от времени для конденсатора 3 Ф, оставшегося разомкнутым после 12 часов работы при напряжении 2,5 В. Это было записано с конденсатором, предварительно заряженным до 2,5 В в ходе предыдущего испытания. . Изменение напряжения не превышало 2 мВ через 30 мин.

    Рисунок 18. Затухание напряжения конденсатора 3 Ф после 12 часов зарядки до 2,5 В.

    Красная линия на графике представляет собой линейную аппроксимацию данных о затухании напряжения методом наименьших квадратов. Наклон составляет 0,55 мкВ/с.

    Ток утечки

    При расчете уклона использовалась функция Linear Fit в Gamry’s Echem Analyst.

    В PWR800 добавлен сценарий, выполняющий это измерение. Этот скрипт называется:

    Применяет постоянный потенциал в течение запрошенного пользователем промежутка времени.Затем он выключает ячейку и измеряет изменения напряжения холостого хода. Схема смещения и усиления прибора позволяет измерять очень небольшие разности напряжений.


    1Б.Е. Конвей, Электрохимические суперконденсаторы: научные основы и технологические приложения, Нью-Йорк: Kluwer Academic Press/Plenum Publishers, 1999.
    2Nesscap Energy Inc., 24040 Camino Del Avion #A118, Monarch Beach, CA 92629, США.
    3Taiyo Yuden (США) Inc., 10 North Martingale Road, Suite 575, Шаумбург, Иллинойс 60173, США.
    4Maxwell Technologies, Inc., 3888 Calle Fortunada, San Diego, CA 92123.

    Важен при роли конденсаторов в распределительных системах

    Коэффициент мощности

    Если по какой-либо причине напряжение в цепи падает ниже заданного уровня, устройство, называемое конденсатором, может кратковременно поддерживать напряжение на уровне линии. По сути, конденсатор служит той же цели, что и накопительный бак в системе водоснабжения.

    Чем так важна роль конденсаторов в распределительных сетях? (фото предоставлено:utilityproducts.com)

    Поддерживая воду в накопительном баке на определенном уровне, давление на воду, подаваемую подключенной к нему системой, поддерживается равномерным.

    Работа конденсаторов заключается в поддержании коэффициента мощности как можно ближе к 1.

    Коэффициент мощности является важной характеристикой электричества. Здесь достаточно сказать, что поддержание коэффициента мощности на уровне 1, является значительным экономическим преимуществом для коммунальной компании и потребителя.Индуктивность — это элемент в цепи, который снижает коэффициент мощности ниже 1.

    Емкость — враг индуктивности. Таким образом, конденсаторы противодействуют индуктивности, удерживают коэффициент мощности близким к 1 и экономят деньги коммунальной компании.

    Конденсатор обычно состоит из двух проводников, разделенных изоляционным материалом. Среди других материалов, которые могут быть использованы, конденсатор может быть изготовлен из алюминиевой фольги, отделенной пропитанной маслом бумагой (см. рис. 4-22), или из синтетических изоляционных материалов.

    Рисунок 1 – Первичный конденсатор

    Емкость – это свойство конденсатора. Емкость зависит от площади проводников, расстояния между проводниками и типа используемого изоляционного материала.

    Введение конденсаторов в цепь заставляет ток опережать напряжение в фазе .

    Включение индуктивности (или катушки индуктивности) в цепь приводит к тому, что ток отстает по фазе от напряжения.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.