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

Содержание

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

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

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

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

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

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

C = q / U (69)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1 /C эк = 1 /C 1 + 1 /C 2 + 1 /C 3

эквивалентное емкостное сопротивление

X C эк = X C 1 + X C 2 + X C 3

результирующее емкостное сопротивление

C эк = C 1 + C 2 + C 3

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Широкому применению серебряно-слюдяных конденсаторов мешает их относительная дороговизна.

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

Для чего нужен конденсатор

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

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

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

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

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

Вот что такое конденсатор!

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

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

Для расчета емкости мы используем следующее соотношение:

С = e х A / d

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

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

Обозначение конденсатора на схемах:

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

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

Виды конденсаторов

Постоянные конденсаторы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Переменные конденсаторы

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

Параметры конденсаторов

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

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

Что называется конденсатором?

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

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

Принцип действия и для чего нужен конденсатор

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

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

Накопление энергии

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

Электролитический конденсатор

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

Суперконденсатор

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

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

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

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

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

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

а) устройство, б) внешний вид

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

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

Работа конденсатора в электрической цепи

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

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

Зарядка конденсатора

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

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

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

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

Разрядка конденсатора

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Принцип работы на переменном напряжении

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

Фактически в цепи переменного тока непрерывно происходит переходный процесс.

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

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

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

Назначение компонента

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

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

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

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

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

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

Для чего нужны конденсаторы? Подключение конденсатора

Электрический конденсатор – это устройство, которое может накапливать заряд и энергию электрического поля. В основном он состоит из пары проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика. Толщина диэлектрика всегда намного меньше, чем размер обкладок. На электрических схемах замещения конденсатор обозначается 2-мя вертикальными параллельными отрезками (II).

Основные величины и единицы измерения

Существует несколько основных величин, определяющих конденсатор. Одна из них — это его емкость (латинская буква С), а вторая — рабочее напряжение (латинская U). Электроемкость (или же просто емкость) в системе СИ измеряется в фарадах (Ф). Причем как единица емкости 1 фарад — это очень много — на практике почти не применяется. Например, электрический заряд планеты Земля составляет всего 710 микрофарад. Поэтому электроемкость конденсаторов в большинстве случаев из­меряется в производных от фарада величинах: в пикофарадах (пФ) при очень маленьком значении емкости (1 пФ=1/106мкФ), в микрофарадах (мкФ) при достаточно большом ее значении (1 мкФ = 1/106 Ф). Для того чтобы рассчитать электроемкость, необходимо разделить величину заряда, накопленного между обкладками, на модуль разницы потенциалов между ними (напряжение на конденсаторе). Заряд конденсатора в данном случае – это заряд, накапливающийся на одной из обкладок рассматриваемого устройства. На 2-х проводниках устройства они одинаковы по модулю, но отличаются по знаку, поэтому сумма их всегда равняется нулю. Заряд конденсатора измеряется в кулонах (Кл), а обозначается буквой Q.

Напряжение на электроприборе

Одним из самых важных параметров рассматриваемого нами устройства является пробивное напряжение — разность значений потенциалов двух проводников конденсатора, приводящая к электрическому пробою слоя диэлектрика. Максимальное напряжение, при котором не происходит пробоя устройства, определяется формой проводников, свойствами диэлектрика и его толщиной. Условия работы, при которых напряжение на обкладках электроприбора близко к пробивному, недопустимы. Нормальное рабочее напряжение на конденсаторе меньше пробивного в несколько раз (в два-три раза). Поэтому при выборе следует обратить внимание на номинальное напряжение и емкость. В большинстве случаев значение этих величин указывается на самом устройстве или в паспорте. Включение конденсатора в сеть на напряжение, превышающее номинальное, грозит его пробоем, а отклонение значения емкости от номинального может привести к выбросу в сеть высших гармоник и перегреву устройства.

Внешний вид конденсаторов

Конструкция конденсато­ров может быть самой разнообразной. Она зависит от значения электроемкости устройства и его назначения. На параметры рассматриваемого устройства не должны влиять внешние факторы, поэтому обкладки имеют такую форму, при которой электрическое поле, созданное электрическими зарядами, сосредотачивается в небольшом зазоре между проводниками конденсатора. Поэтому они могут состоять из двух концентрических сфер, двух плоских пластин или двух коаксиальных цилиндров. Следовательно, конденсаторы могут быть цилиндрическими, сферическими и плоскими в зависимости от формы проводников.

Постоянные конденсаторы

По характеру изменения электроёмкости конденсаторы делят на устройства с постоянной, переменной ёмкостью или подстроечные. Разберем подробнее каждый из упомянутых типов. Приборы, чья ёмкость не меняется в процессе работы, то есть она является постоянной (значение емкости все-таки может колебаться в допустимых пределах в зависимости от температуры),- это постоянные конденсаторы. Существуют также электроприборы, меняющие свою электроемкость в процессе работы, они называются переменными.

От чего зависит С в конденсаторе

Электроемкость зависит от площади поверхности его проводников и расстояния между ними. Есть несколько способов изменения этих параметров. Рассмотрим конденсатор, который состоит из двух видов пластин: подвижных и неподвижных. Подвижные пластины перемещаются относительно неподвижных, в результате чего изменяется электроемкость конденсатора. Переменные аналоги используются для настроек аналоговых устройств. Причем емкость можно изменять в процессе работы. Подстроечные конденсаторы в большинстве случаев используют для настройки заводской аппаратуры, например для подбора емкости эмпирическим путем при невозможности расчета.

Конденсатор в цепи

Рассматриваемый прибор в цепи постоянного тока проводит ток только в момент включения его в сеть (при этом происходит заряд или перезаряд устройства до напряжения источника). Как только конденсатор полностью заряжается, ток через него не идет. При включении устройства в цепь с переменным током процессы разрядки и зарядки его чередуются друг с другом. Период их чередования равен периоду колебания приложенного синусоидального напряжения.

Характеристики конденсаторов

Конденсатор в зависимости от состояния электролита и материала, из которого он состоит, может быть сухим, жидкостным, оксидно-полупроводниковым, оксидно-металлическим. Жидкостные конденсаторы хорошо охлаждаются, эти устройства могут работать при значительных нагрузках и обладают таким важным свойством, как самовосстановление диэлектрика при пробое. У рассматриваемых электрических устройств сухого типа достаточно простая конструкция, немного меньше потери напряжения и ток утечки. На данный момент именно сухие приборы пользуются наибольшей популярностью. Основным достоинством электролитных конденсаторов являются дешевизна, компактные габариты и большая электроемкость. Оксидные аналоги — полярные (неверное подключение приводит к пробою).

Как подключается

Подключение конденсатора в цепь с постоянным током происходит следующим образом: плюс (анод) источника тока соединяется с электродом, который покрыт окисной пленкой. В случае несоблюдения этого требования может произойти пробой диэлектрика. Именно по этой причине жидкостные конденсаторы нужно подключать в цепь с переменным источником тока, соединяя встречно последовательно две одинаковые секции. Или нанести оксидный слой на оба электрода. Таким образом, получается неполярный электроприбор, работающий в сетях как с постоянным, так и с синусоидальным током. Но и в том и в другом случаях результирующая емкость становится в два раза меньше. Униполярные электрические конденсаторы обладают значительными размерами, зато могут включаться в цепи с переменным током.

Основное применение конденсаторов

Слово «конденсатор» можно услышать от работников различных промышленных предприятий и проектных институтов. Разобравшись с принципом работы, характеристиками и физическими процессами, выясним, зачем нужны конденсаторы, например, в системах энергоснабжения? В этих системах батареи широко применяют при строительстве и реконструкции на промышленных предприятиях для компенсации реактивной мощности КРМ (разгрузки сети от нежелательных ее перетоков), что позволяет уменьшить расходы на электроэнергию, сэкономить на кабельной продукции и доставить потребителю электроэнергию лучшего качества. Оптимальный выбор мощности, способа и места подключения источников реактивной мощности (Q) в сетях электроэнергетических систем (ЭЭС) оказывает существенное влияние на экономические и технические показатели эффективности работы ЭЭС. Существуют два типа КРМ: поперечная и продольная. При поперечной компенсации батареи конденсаторов подключаются на шины подстанции параллельно нагрузке и называются шунтовыми (ШБК). При продольной компенсации батареи включают в рассечку ЛЭП и называют УПК (устройства продольной компенсации). Батареи состоят из отдельных приборов, которые могут соединяться различными способами: конденсаторы последовательного подключения или параллельного. При увеличении количества последовательно включенных устройств увеличивается напряжение. УПК также используются для выравнивания нагрузок по фазам, повышения производительности и эффективности дуговых и рудотермических печей (при включении УПК через специальные трансформаторы).

На схемах замещения линий электропередачи с напряжением свыше 110кВ емкостная проводимость на землю обозначается в виде конденсаторов. ЕП линии обусловлена электроемкостями между проводниками разных фаз и емкостью, образованной фазным проводом и землей. Поэтому для расчетов режимов работы сети, параметров ЛЭП, определения мест повреждения электрической сети используются свойства конденсатора.

Еще о сферах применения

Также данный термин можно услышать от работников железных дорог. Зачем нужны конденсаторы им? На электровозах и тепловозах данные устройства используются для снижения искрения контактов электрических аппаратов, сглаживания пульсирующего тока, выдаваемого выпрямителями и импульсными прерывателями, а также для создания генерации симметричного синусоидального напряжения, используемого для питания электродвигателей.

Однако это слово чаще всего можно услышать из уст радиолюбителя. Зачем нужны конденсаторы ему? В радиотехнике их используют для создания электромагнитных колебаний высокой частоты, они входят в состав сглаживающих фильтров, блоков питания, усилителей и печатных плат.

В бардачке каждого автолюбителя можно найти пару-тройку этих электроприборов. Зачем нужны конденсаторы в автомобиле? Там они используются в усиливающей аппаратуре акустических систем для качественного воспроизведения звука.

Что такое конденсатор и для чего он нужен? Зачем нужны конденсаторы? Подключение конденсатора

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

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

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

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

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

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

Как устроен конденсатор

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

Рисунок 1. Устройство плоского конденсатора

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 2.

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

Исторический факт

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

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

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

Немножко о диэлектриках

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

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

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

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

На рисунке 3 показан один из таких конденсаторов.

Рисунок 3. Электролитический конденсатор

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

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

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

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

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

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

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

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

Конденсатор может накапливать энергию

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

Рисунок 4. Схема с конденсатором

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

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

Итак, схема собрана. Как она работает?

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

Рисунок 5. Процесс заряда конденсатора

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

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

Постоянная времени «тау» τ = R*C

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

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

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

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

Рисунок 6. График разряда конденсатора

Конденсатор не пропускает постоянный ток

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

Рисунок 7. Схема с конденсатором в цепи постоянного тока

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

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

Конденсатор в фильтрах питания

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

Рисунок 8. Схемы выпрямителей

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

Для двухполупериодного выпрямителя емкость конденсатора фильтра можно рассчитать по формуле

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

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

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

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

Суперконденсатор — ионистор

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

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

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

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

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

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

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

Принцип работы конденсатора

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

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

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

В мощных автомобильных аудиосистемах нередко можно встретить такой элемент как буферный конденсатор. Зачем он нужен и что собой представляет? Давайте разбираться.

А ОНО ВООБЩЕ НАДО?
Для начала давайте вспомним, что такое конденсатор вообще. Конденсатор — это устройство, которое может накапливать электрический заряд, держать его в себе, и при необходимости отдавать. Емкость конденсаторов измеряется в Фарадах. 1 Фарад — это, кстати, весьма приличная величина. Чтобы конденсатор работал, его необходимо подключить параллельно аккумулятору (плюс к плюсу и минус к минусу). Про такое подключение обычно говорят «включен в буфер с аккумулятором», отсюда и название — буферный конденсатор. Ставят их, как правило, поближе к усилителям.
Итак, зачем он нужен? Он не является дополнительным источником питания, а просто держит в себе электрический заряд, поэтому на первый взгляд вроде бы абсолютно бесполезен. Но, тем не менее, польза от него есть, и немалая.
В каждый момент времени усилитель потребляет разный ток. Например, когда лабух по бас-бочке шарахает или в клубной музыке сочные басовые удары отбивают ритм, то это сопровождается скачками потребления тока. Поскольку питающие кабели имеют определенное сопротивление (это мы подробно разжевали в прошлом номере), то из-за него в эти моменты напряжение на клеммах усилителя неизбежно подсаживается. Такая нестабильность питания — причина искажений звукового сигнала и всех остальных сопутствующих неприятностей.
Что же изменится, если мы подключим параллельно клеммам усилителя конденсатор? А изменится следующее — конденсатор будет накапливать от аккумулятора заряд в те моменты, когда усилитель потребляет маленький ток, и будет быстро отдавать его, когда усилителю понадобится большой ток, компенсируя этим самым просадку напряжения на кабеле. В итоге усилитель получает более стабильное питание, а, значит, и искажений становится меньше, бас сочнее, все счастливы.
Впрочем, тут, наверняка, последуют возражения, мол, если провод будет достаточно толстый, то и потерь на нем будет мало, и зачем тогда конденсатор? Но конденсатор и в этом случае окажется нелишним. Токопотребление усилителя обычно изменяется очень резко, а любой обычный аккумулятор относительно инертен. Он, несомненно, способен отдать большой заряд, но он не может делать это мгновенно, так, как это бывает нужно усилителю. Следствие этой тормознутости — опять же нехватка питания в самые начальные моменты резких пиков токопотребления. Конденсатор же способен отдавать заряд очень быстро, гораздо быстрее, чем аккумулятор. Он компенсирует эту аккумуляторную медлительность, и усилитель снова получает полноценное питание.

Конденсатор компенсирует негативное влияние сопротивления питающего кабеля, но для этого он должен быть установлен как можно ближе к самому усилителю, в идеале между ним и усилителем вообще должно быть не больше 10-20 см питающего провода. Иначе эффект от его применения сводится практически к нулю.


ИЗ ИСТОРИИ

Прародитель современных конденсаторов — лейденская банка, изобретенная в 1745 году голландским ученым Мушенбруком и его учеником Кюнеусом, живших в городе Лейден. Параллельно и независимо от них похожее устройство под названием „медицинская банка»изобрел немецкий учёный Клейст. Устройства были способны накапливать заряд, и с их помощью впервые удалось получить искусственным путем электрическую искру.

КСТАТИ
В одной из инсталляций мной было подсмотрено одно интересное решение — в непосредственной близости к усилителю установлена самодельная батарея из конденсаторов небольшой емкости. Для еще большего улучшения скорострельности они были шунтированы совсем мелкими конденсаторами, емкостью всего лишь 0,1-1 микрофарад. Система была рассчитана не на громкость, а на качество звука. Результат весьма впечатлил, конденсатор повлиял на звучание не только низких, но и даже средних частот.


Выбирая конденсатор для своей аудиосистемы, придерживайтесь правила — 1 фарад на каждые 1000 Вт RMS мощности усилителя.

Емкость конденсаторов измеряется в фарадах. 1 фарад — это очень большая емкость. Такой емкостью обладал бы шар, радиус которого был бы равен 13 (!) радиусам Солнца. Для сравнения, емкость нашей Земли (вернее шара размером с Землю, как отдельного уединенного проводника) составляет всего около 700 микрофарад.

ЛУЧШЕ МЕНЬШЕ, ДА ЛУЧШЕ
Рынок предлагает немало моделей -от относительно небольших „кондеров», емкостью 0,5 фарад, до монструозных агрегатов емкостью в десятки фарад. Какой выбрать? Всегда ли большая емкость — это хорошо?
Выбирать подходящий конденсатор нужно в соответствии с мощностью усилителей. Можно исходить из экспериментально установленного правила „1 фарад на 1000 Вт» (естественно, имеются ввиду не какие-нибудь максимальные 1000 Вт, измеренные черт знает как, а 1000 Вт RMS мощности). Скажем, питание одноканального басового усилителя мощностью 700 Вт вполне можно подпереть 1-фарадным конденсатором, а к 4-канальнику с номиналом 4×100 Вт вполне подойдет емкость 0,5 фарад.
А можно ли установить конденсатор большей емкости? Можно, но все дело в том, что большие конденсаторы обычно менее скорострельны — они больше будут похожи просто на еще один дополнительный медлительный аккумулятор, чем на быстрый конденсатор. Поэтому их есть смысл использовать, только если вы строите действительно мощную аудиосистему, рассчитанную на „колбасную» музыку с тяжелыми басами и не слишком быстрой атакой звука, например, клубной музыки. Способность конденсатора быстро отдавать заряд при этом отходит на второй план.
Правда, если вы собираетесь на соревнования по SPL (неограниченному звуковому давлению) или просто любитель громкой музыки с очень низкими и протяжными басами, то особо на поддержку конденсатора можете не рассчитывать. Ведь весь принцип его работы заключается в отдаче накопленного заряда в самый первый момент токопотребления усилителя. Дальше „пустая банка», включенная параллельно усилителю, может принести больше вреда, чем пользы.
Если же вы считаете, что большой конденсатор вам ну просто ужас как необходим, но вы не хотите терять в скорости его реакции на изменения сигнала, то нужную емкость можно набрать параллельным включением нескольких небольших конденсаторов.

КСТАТИ


В продаже можно встретить не только „чистые» конденсаторы, но и гибриды „конденсатор плюс небольшой аккумулятор». По задумке разработчиков аккумулятор должен обеспечить емкость как у больших конденсаторов, а входящий в состав устройства небольшой конденсатор должен обеспечить быстроту реакции устройства на изменяющееся токопотребление усилителя.

КАК ПРАВИЛЬНО ЗАРЯДИТЬ КОНДЕНСАТОР?
Не секрет, что ковыряться в проводке и подключать всякие девайсы нужно при скинутых с аккумулятора клеммах, это обычное правило безопасности. Но допустим, вы все установили, подключили и решили, что пора уже включать. И все бы ничего, но многие при этом забывают, что при самом первом включении конденсатор пока еще разряжен. А ведь это устройство, которое способно не только отдавать, но и накапливать заряд очень быстро. Так что как только клеммы коснутся аккумулятора, пустая „банка» сразу же начнет заряжаться, через конденсатор лотечет огромный ток, и на несколько секунд он просто станет перемычкой, закоротив „+» и „-» аккумулятора. Как минимум, пострадают клеммы, став на время подобием сварочных электродов, ну а о предохранителях, наверное, и вовсе уж говорить не стоит. Что же делать? Как правильно зарядить конденсатор, чтобы избежать этого?
Самый простой вариант- использовать любую 12-вольтовую лампочку. Перед тем, как накидывать клемму, просто на несколько секунд включите ее между аккумуляторной и накидываемой клеммами. Конденсатор начнет заряжаться, но резкого броска тока уже не произойдет. Конденсатор будет спокойно заряжаться через лампочку, по мере заряда она будет светить все тусклее и тусклее, и когда совсем погаснет, то это и будет означать, что конденсатор зарядился, и можно спокойно одевать и фиксировать клемму.

При параллельном включении конденсаторов их емкость складывается

КСТАТИ

Многие конденсаторы оснащены схемами „мягкого заряда». Они имеют неоспоримое преимущество -их не нужно заряжать через лампочку, схема исключает бросок тока при подключении „пустого» конденсатора. Удобно? Безусловно. Но такая схема — это лишнее сопротивление в силовой цепи, которое делает конденсатор, к сожалению, практически бесполезным. Однажды для журнала Car Music мы проводили сравнительный тест конденсаторов. Брали усилитель, подключали его заведомо тонким проводом, „грузили» его сложным сигналом (кому интересно — последовательности 50-герцовых импульсов с частотой 130 ударов в минуту) и следили, при каком уровне этого сигнала напряжение питания усилителя „просядет» до порога его отключения. Так вот, когда мы подключали конденсаторы с такой схемой soft charge, то разницы практически не было. Зато аскетичные „банки», у которых не было вообще ничего лишнего, позволяли повысить уровень сигнала, прежде, чем усилитель начнет вырубаться, до 2,5-3 дБ, а это почти в два раза! Так что десять раз подумайте, прежде чем купить „удобный кондер с наворотами», эти навороты могут принести больше вреда, чем пользы.

Текст и рисунки Антон Николаев, фото из разных источников.

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

Что называется конденсатором?

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

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

Принцип действия и для чего нужен конденсатор

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

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

Накопление энергии

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

Электролитический конденсатор

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

Суперконденсатор

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

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

Люди, далекие от техники, даже не задумываются, что в конструкции современных электроприборов стоят различные элементы, благодаря которым и работает эта техника. Они даже не понимают о чем идет речь, когда окружающие их знатоки ведут разговоры о технике. Но иногда любопытство берет верх, и они начинают задавать вопросы. Например, зачем нужен конденсатор?

Чтобы удовлетворить любопытство, постараемся объяснить его функции и выявить, в каких областях конденсаторы нашли свое применение.

Что такое конденсатор?

Конденсатор, по-народному – «кондер», устройство, которое используется в электрических цепях для накопления электрической энергии. Конденсаторы применяются при фильтрации помех, в сглаживающих фильтрах в источниках электропитания, цепях межкаскадовых связей и во многих других областях радиотехники.

Конструкция и средства использующихся материалов определяют электрическую характеристику «кондера». В устройство конденсатора входят обкладки (или пластины), находящиеся друг перед другом. Делают их из токопроводящего и изолирующего материала. В качестве изоляции могут выступать слюда или бумага.

Емкость у конденсатора может быть разной. Она увеличивается в размерах пропорционально площади обкладок, а ее уменьшение происходит в зависимости от расстояния между ними. Очень важным является рабочее напряжения конденсатора. Если превысить максимальное напряжение, конденсатор может сломаться из-за пробоя диэлектрика.

Как все начиналось

Принцип изготовления этого устройства был известен довольно давно, благодаря немецкому физику Эвальду Юргену фон Клейсту и его нидерландскому коллеге Питеру ван Мушенбруку. Именно они были создателями первого в мире конденсатора. Их детище было значительно примитивнее современных собратьев, ведь диэлектриком выступали стенки банки из стекла. В наши дни технологии намного совершеннее, да и создание новых материалов весьма улучшило конструкцию конденсатора.

Гениальный электротехник Павел Яблочков также смог достичь выдающихся результатов в разработке конденсаторов и в их использовании. На эту тему он создал множество публикаций. Павел Николаевич прекрасно понимал зачем нужен конденсатор , поэтому одним из первых включил «кондер» в цепь перемежающегося тока. Это имело огромное значение для развития и становления электро- и радиотехники.

В наши дни существует многообразие конденсаторов, но в основе всех их лежат две металлические пластины, которые находятся в изоляции друг от друга.

Где применяются конденсаторы

Конденсаторы окружают нас во многих областях, занимая особую нишу в электронике.

  1. Телевизионная или радиотехническая аппаратура без конденсаторов не обойдется. Их применяют для фильтров-выпрямителей, создания и настройки колебательных контуров, разделения цепей с разной частотой и многого другого.
  2. Радиолокационная техника использует их, чтобы получить импульсы большей мощности, а также для формирования импульсов.
  3. Для искрогашения в контактах, разделения токов разной частоты, разделения цепей постоянного и переменного токов «кондеры» нужны в телеграфии и телефонии.
  4. В телемеханике и автоматике с их помощью создают датчики на емкостном принципе. Здесь также нужно искрогашение в контактах, разделение цепей токов и т.д.
  5. В специальных устройствах для запоминания, что используются в счетно-решающей технике.
  6. Для получения мощных импульсов в лазерной технике.

Современная электроэнергетика тоже использует во всю это изобретение: для подключения к линии передачи нужной аппаратуры, чтобы повысить коэффициент мощности, для регулировки напряжения в распределительных сетях, чтобы защитить от перенапряжения, для электрической сварки, подавления радиопомех и много другого.

Зачем нужен конденсатор еще? Для металлопромышленности, автотракторной и медицинской техники, для использования атомной энергии, в фотографической технике для получения световой вспышки и аэрофотосъемки. Даже добывающая промышленность не обходится без конденсаторов. Одни конденсаторы могут быть совсем крошечными и весить меньше одного грамма, другие их «сотоварищи» поражают весом в несколько тонн и высотой более двух метров.

Огромное разнообразие типов конденсаторов дало возможность применять их в различных сферах деятельности, поэтому без них нам никак не обойтись.

Для чего нужны конденсаторы где они используются. Работа конденсатора в электрической цепи

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

Принцип работы конденсатора

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

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

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

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

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

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

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

а) устройство, б) внешний вид

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

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

Работа конденсатора в электрической цепи

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

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

Зарядка конденсатора

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

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

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

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

Разрядка конденсатора

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Принцип работы на переменном напряжении

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

Фактически в цепи переменного тока непрерывно происходит переходный процесс.

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

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

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

Назначение компонента

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Широкому применению серебряно-слюдяных конденсаторов мешает их относительная дороговизна.

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

Для чего нужен конденсатор

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

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

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

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

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

Вот что такое конденсатор!

Конденсатор представляет собой пассивный электронный компонент, который имеет два полюса с определенным или переменным значением емкости. Еще он обладает малой проводимостью. Важно разобраться, для чего нужно конденсатор в электродвигателе и , поскольку согласно информации, представленной на форумах, у многих людей неправильное представление по этому поводу, и они просто недооценивают значимость этого устройства.

Для чего нужен конденсатор?

Устройство используется во всех электрических и радиотехнических схемах. Для каких целей в схему включают конденсатор:

  1. Выступает в роли сопротивления, что позволяет использовать его в качестве фильтра, чтобы подавлять ВЧ и НЧ помехи.
  2. Применяют для фотовспышек и лазеров, а все благодаря способности устройства накапливать заряд и быстро разряжаться, создавая импульс.
  3. Помогает компенсировать реактивную энергию, что позволяет использовать его в промышленности.
  4. Благодаря умению накапливать и долгое время сохранять заряд конденсатор можно использовать для сохранения информации и для питания маломощных устройств.

Для чего нужен автомобильный конденсатор?

Это устройство может выполнять несколько функций в автомобиле. Например, их используют, чтобы создать высокие показатели напряженности во всей электрической системе в авто. Чаще всего конденсатор применяют для автомобильной акустики. Говоря о том, зачем нужен конденсатов в автозвуке, заметим, что его основное предназначение заключается в помощи усилителю быстро отдавать имеющуюся мощность на пиках низких частот.

Если в акустической системе конденсатор не используется, тогда звук баса не будет таким четким, а также может возникать просадка в питании всей электрической сети автомобиля. Подобные скачки напряжения в итоге могут привести к тому, что сабвуфер попросту сломается.

При выборе конденсатора для автомобиля руководствуйтесь таким правилом, что на 1 кВт мощности должно приходиться 1 Ф. Выбирайте качественный конденсаторы и лучше всего, если у них будет смеха управления зарядом.

Стоит также выяснить, как правильно установить конденсатор. Лучше всего делать это максимально близко к сабвуферному усилителю, поскольку именно на него приходится самая большая нагрузка. Расстояние не должно быть больше 60 см. Тип подключения – параллельное.

Зачем нужен конденсатор в электродвигателе?

Для правильной работы некоторых двигателей необходимо использовать пусковой и рабочий конденсаторы. Основное предназначение пускового конденсатора заключается в повышении пусковых характеристик двигателя. Это устройство помогает уменьшить время входа двигателя в его рабочий режим, одновременно увеличить крутящийся момент и облегчить процесс запуска двигателя.

Что касается рабочего конденсатора, то он вовлечен в работу на протяжении всего времени работы двигателя. Это устройство обеспечивает допустимый нормами нагрев обмоток, оптимальную нагрузочную способность и экономичность электрического двигателя. Еще он способствует максимальному крутящему моменту и увеличению срока службы двигателя.

Теперь следует выяснить, какой конденсатор нужен для двигателя. Емкость этого устройства обычно выбирается из расчета, что на 100 Вт должно приходиться 6,6 мФ. Порой данное значение является некорректным, поэтому лучше всего подбирать емкость путем экспериментов. Есть несколько способ подбора, но наиболее точные значения можно получить благодаря подключению двигателя через амперметр. Важно проконтролировать потребляемый ток при разных емкостях. Задача заключается в том, чтобы найти, при какой емкости значение тока на амперметре будет минимальным.

Электрический конденсатор — это устройство, которое может накапливать заряд и энергию электрического поля. В основном он состоит из пары проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика. Толщина диэлектрика всегда намного меньше, чем размер обкладок. На электрических схемах замещения конденсатор обозначается 2-мя вертикальными параллельными отрезками (II).

Основные величины и единицы измерения

Существует несколько основных величин, определяющих конденсатор. Одна из них — это его емкость (латинская буква С), а вторая — рабочее напряжение (латинская U). Электроемкость (или же просто емкость) в системе СИ измеряется в фарадах (Ф). Причем как единица емкости 1 фарад — это очень много — на практике почти не применяется. Например, электрический заряд планеты Земля составляет всего 710 микрофарад. Поэтому в большинстве случаев из-меряется в производных от фарада величинах: в пикофарадах (пФ) при очень маленьком значении емкости (1 пФ=1/10 6 мкФ), в микрофарадах (мкФ) при достаточно большом ее значении (1 мкФ = 1/10 6 Ф). Для того чтобы рассчитать электроемкость, необходимо разделить величину заряда, накопленного между обкладками, на модуль разницы потенциалов между ними (напряжение на конденсаторе). Заряд конденсатора в данном случае — это заряд, накапливающийся на одной из обкладок рассматриваемого устройства. На 2-х проводниках устройства они одинаковы по модулю, но отличаются по знаку, поэтому сумма их всегда равняется нулю. Заряд конденсатора измеряется в кулонах (Кл), а обозначается буквой Q.

Напряжение на электроприборе

Одним из самых важных параметров рассматриваемого нами устройства является пробивное напряжение — разность значений потенциалов двух проводников конденсатора, приводящая к электрическому пробою слоя диэлектрика. Максимальное напряжение, при котором не происходит пробоя устройства, определяется формой проводников, свойствами диэлектрика и его толщиной. Условия работы, при которых напряжение на обкладках электроприбора близко к пробивному, недопустимы. Нормальное рабочее напряжение на конденсаторе меньше пробивного в несколько раз (в два-три раза). Поэтому при выборе следует обратить внимание на номинальное напряжение и емкость. В большинстве случаев значение этих величин указывается на самом устройстве или в паспорте. Включение конденсатора в сеть на напряжение, превышающее номинальное, грозит его пробоем, а отклонение значения емкости от номинального может привести к выбросу в сеть высших гармоник и перегреву устройства.

Внешний вид конденсаторов

Конструкция конденсато-ров может быть самой разнообразной. Она зависит от значения электроемкости устройства и его назначения. На параметры рассматриваемого устройства не должны влиять внешние факторы, поэтому обкладки имеют такую форму, при которой электрическое поле, созданное электрическими зарядами, сосредотачивается в небольшом зазоре между проводниками конденсатора. Поэтому они могут состоять из двух концентрических сфер, двух плоских пластин или двух коаксиальных цилиндров. Следовательно, конденсаторы могут быть цилиндрическими, сферическими и плоскими в зависимости от формы проводников.

Постоянные конденсаторы

По характеру изменения электроёмкости конденсаторы делят на устройства с постоянной, переменной ёмкостью или подстроечные. Разберем подробнее каждый из упомянутых типов. Приборы, чья ёмкость не меняется в процессе работы, то есть она является постоянной (значение емкости все-таки может колебаться в допустимых пределах в зависимости от температуры),- это постоянные конденсаторы. Существуют также электроприборы, меняющие свою электроемкость в процессе работы, они называются переменными.

От чего зависит С в конденсаторе

Электроемкость зависит от площади поверхности его проводников и расстояния между ними. Есть несколько способов изменения этих параметров. Рассмотрим конденсатор, который состоит из двух видов пластин: подвижных и неподвижных. Подвижные пластины перемещаются относительно неподвижных, в результате чего изменяется электроемкость конденсатора. Переменные аналоги используются для настроек аналоговых устройств. Причем емкость можно изменять в процессе работы. Подстроечные конденсаторы в большинстве случаев используют для настройки заводской аппаратуры, например для подбора емкости эмпирическим путем при невозможности расчета.

Конденсатор в цепи

Рассматриваемый прибор в цепи постоянного тока проводит ток только в момент включения его в сеть (при этом происходит заряд или перезаряд устройства до напряжения источника). Как только конденсатор полностью заряжается, ток через него не идет. При включении устройства в цепь с переменным током процессы разрядки и зарядки его чередуются друг с другом. Период их чередования равен приложенного синусоидального напряжения.

Характеристики конденсаторов

Конденсатор в зависимости от состояния электролита и материала, из которого он состоит, может быть сухим, жидкостным, оксидно-полупроводниковым, оксидно-металлическим. Жидкостные конденсаторы хорошо охлаждаются, эти устройства могут работать при значительных нагрузках и обладают таким важным свойством, как самовосстановление диэлектрика при пробое. У рассматриваемых электрических устройств сухого типа достаточно простая конструкция, немного меньше потери напряжения и ток утечки. На данный момент именно сухие приборы пользуются наибольшей популярностью. Основным достоинством электролитных конденсаторов являются дешевизна, компактные габариты и большая электроемкость. Оксидные аналоги — полярные (неверное подключение приводит к пробою).

Как подключается

Подключение конденсатора в цепь с постоянным током происходит следующим образом: плюс (анод) источника тока соединяется с электродом, который покрыт окисной пленкой. В случае несоблюдения этого требования может произойти Именно по этой причине жидкостные конденсаторы нужно подключать в цепь с переменным источником тока, соединяя встречно последовательно две одинаковые секции. Или нанести оксидный слой на оба электрода. Таким образом, получается неполярный электроприбор, работающий в сетях как с постоянным, так и с Но и в том и в другом случаях результирующая емкость становится в два раза меньше. Униполярные электрические конденсаторы обладают значительными размерами, зато могут включаться в цепи с переменным током.

Основное применение конденсаторов

Слово «конденсатор» можно услышать от работников различных промышленных предприятий и проектных институтов. Разобравшись с принципом работы, характеристиками и физическими процессами, выясним, зачем нужны конденсаторы, например, в системах энергоснабжения? В этих системах батареи широко применяют при строительстве и реконструкции на промышленных предприятиях для компенсации реактивной мощности КРМ (разгрузки сети от нежелательных ее перетоков), что позволяет уменьшить расходы на электроэнергию, сэкономить на кабельной продукции и доставить потребителю электроэнергию лучшего качества. Оптимальный выбор мощности, способа и места подключения источников (Q) в сетях электроэнергетических систем (ЭЭС) оказывает существенное влияние на экономические и технические показатели эффективности работы ЭЭС. Существуют два типа КРМ: поперечная и продольная. При поперечной компенсации батареи конденсаторов подключаются на шины подстанции параллельно нагрузке и называются шунтовыми (ШБК). При продольной компенсации батареи включают в рассечку ЛЭП и называют УПК (устройства продольной компенсации). Батареи состоят из отдельных приборов, которые могут соединяться различными способами: конденсаторы последовательного подключения или параллельного. При увеличении количества последовательно включенных устройств увеличивается напряжение. УПК также используются для выравнивания нагрузок по фазам, повышения производительности и эффективности дуговых и рудотермических печей (при включении УПК через специальные трансформаторы).

В бардачке каждого автолюбителя можно найти пару-тройку этих электроприборов. Зачем нужны конденсаторы в автомобиле? Там они используются в усиливающей аппаратуре акустических систем для качественного воспроизведения звука.

Конденсатор в цепи постоянного тока

Заряд конденсатора через резистор

При подключении конденсатора к источнику постоянного тока под действием электрического поля на нижнюю обкладку движутся электроны. В следствии, явления электростатической индукции с верхней обкладки конденсатора заряды уходят к положительному выводу источника питания в цепи возникает токток заряда по мере накопления зарядов в конденсаторе, растёт напряжение , а ток заряда уменьшается, и так, – конденсатор подключённый к источнику тока, заряжается до Uист.

Конденсатор в цепи постоянного тока

 

 

Кратковременный ток в цепи называется ток заряда, а так как он существует короткое время, то говорят, конденсатор постоянный ток не пропускает.

Считается что конденсатор заряжается если напряжение на нём составляет 0,63 от Uист и это происходит за время
равное Τ

ЕсЭДС ёмкости

Τ заряда – постоянная времени заряда конденсатора в секундах

Одна секунда – 1с = 103мс = 106мкс =1012нс

Rзар – сопротивление в Омах

С – ёмкость в Фарадах

Τ = Rзар × С

График заряда конденсатора

Разряд конденсатора через резистор

Работа конденсатора в цепи постоянного тока

Считается, что конденсатор разрядится если напряжение на нём составляет 0,37 от напряжения источника и это происходит за время Τ разряда.

Τразр = Rразр × С

График разряда конденсатора

Конденсаторы и цепи переменного тока

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Конденсаторы и цепи переменного тока



Коль скоро мы начинаем рассматривать изменяющиеся сигналы напряжения и тока, нам необходимо познакомиться с двумя очень занятными элементами, которые не находят применения в цепях постоянного тока, — речь идет о конденсаторах и индуктивностях. Скоро вы убедитесь, что эти компоненты вместе с резисторами являются основными элементами пассивных линейных цепей, составляющих основу почти всей схемотехники. Особенно следует подчеркнуть роль конденсаторов — без них не обходится почти ни одна схема. Они используются при генерации колебаний, в схемах фильтров, для блокировки и шунтирования сигналов. Их используют в интегрирующих и дифференцирующих схемах. На основе конденсаторов и индуктивностей строят схемы формирующих фильтров для выделения нужных сигналов из фона. Некоторые примеры подобных схем вы найдете в этой главе, а еще большее число интересных примеров использования конденсаторов и индуктивностей встретится вам в последующих главах.

Приступим к более детальному изучению конденсаторов. Явления, протекающие в конденсаторе, описываются математическими зависимостями, поэтому читателям, которые имеют недостаточную подготовку в области математики, полезно прочитать приложение Б. Не огорчайтесь, если некоторые детали не будут сразу вполне понятны, главное — это общее понимание вопроса.


1.12. Конденсаторы

Конденса рис. 1.27. -это устройство, имеющее два вывода и обладающее следующим свойством:

Q = CU

Конденсатор, имеющий емкость С фарад, к которому приложено напряжение U вольт, накапливает заряд Q кулон на одной пластине и — Q на другой.

Рис. 1.27. Конденсатор.

В первом приближении конденсаторы — это частотно-зависимые резисторы. Они позволяют создавать, например, частотно-зависимые делители напряжения. Для решения некоторых задач (шунтирование, связывание контуров) больших знаний о конденсаторе и не требуется, другие задачи (построение фильтров, резонансных схем, накопление энергии) требуют более глубоких знаний. Например, конденсаторы не рассеивают энергию, хотя через них и протекает ток, — дело в том, что ток и напряжение на конденсаторе смещены друг относительно друга по фазе на 90°.

Продифференцировав выражение для Q (см. приложение Б), получим

I = C(dU/dt).

Итак, конденсатор — это более сложный элемент, чем резистор; ток пропорционален не просто напряжению: а скорости изменения напряжения. Если напряжение на конденсаторе, имеющем емкость 1 Ф, изменится на 1 В за 1 с, то получим ток 1 А. И наоборот, протекание тока 1 А через конденсатор емкостью 1 Ф вызывает изменение напряжения на 1 В за 1 с. Емкость, равная одной фараде, очень велика, и поэтому чаще имеют дело с микрофарадами (мкФ) или пикофарадами (пФ). Для того чтобы сбить с толку непосвященных, на принципиальных схемах иногда опускают обозначения единиц измерения. Их приходится угадывать из контекста. Например, если подать ток 1 мА на конденсатор емкостью 1 мкФ, то напряжение за 1 с возрастет на 1000 В. Импульс тока продолжительностью 10 мс вызовет увеличение напряжения на конденсаторе на 10 В (рис. 1.28).

Рис. 1.28. Напряжение на конденсаторе изменяется, когда через него протекает ток.

Промышленность выпускает конденсаторы разнообразных форм и размеров, через некоторое время вы познакомитесь с наиболее распространенными представителями этого обширного семейства. Простейший конденсатор состоит из двух проводников, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга (но не соприкасающихся между собой), настоящие простейшие конденсаторы имеют именно такую конструкцию. Чтобы получить большую емкость, нужны большая площадь и меньший зазор между проводниками, обычно для этого один из проводников покрывают тонким слоем изолирующего материала (называемого диэлектриком), для таких конденсаторов используют, например, алитированную (покрытую алюминием) майларовую пленку. Широкое распространение получили следующие типы конденсаторов: керамические, электролитические (изготовленные из металлической фольги с оксидной пленкой в качестве изолятора), слюдяные (изготовленные из металлизированной слюды). Каждому типу конденсаторов присущи свои качества, краткий перечень отличительных особенностей каждого типа конденсаторов приведен мелким шрифтом в разделе «Конденсаторы». В общем можно сказать, что для некритичных схем подходят керамические и майларовые конденсаторы, в схемах, где требуется большая емкость, применяются танталовые конденсаторы, а для фильтрации в источниках питания используют электролитические конденсаторы.

Параллельное и последовательное соединение конденсаторов. Ёмкость нескольких параллельно соединенных конденсаторов равна сумме их емкостей. Нетрудно в этом убедиться: приложим напряжение к параллельному соединению, тогда:

CU = Q = Q1 + Q2 + Q3 + … =

= С1U + C2U + C3U + … =

= (C1 + C2 + C3 + …)U

или

C = C1 + C2 + C3 + …

Для последовательного соединения конденсаторов имеем такое же выражение, как лдя параллельного соединения резисторов:

C = 1/1/C1 + 1/C2 + 1/C3.

В частном случае для двух конденсаторов:

C = C1C2/(C1 + C2).

Ток, заряжающий конденсатор (I = CdU/dt),обладает некоторыми особыми свойствами. В отличие от тока, протекающего через резистор, он пропорционален не напряжению, а скорости изменения напряжения (т.е. его производной по времени).Далее, мощность (U умноженное на I), которая связана с протекающим через конденсатор током, не обращается в тепло, а сохраняется в виде энергии внутреннего электрического поля в конденсаторе. При разряде конденсатора происходит извлечение энергии. Эти занятные свойства мы рассмотрим с другой точки зрения, когда будем изучать реактивность (начиная с разд. 1.18.).

КОНДЕНСАТОРЫ

Промышленностью выпускается много типов конденсаторов. Здесь перечислены основные преимущества и недостатки различных типов. Очевидно, что данная оценка имеет несколько субъективный характер (см. таблицу).


ТипДиапазон
емкости
Макс. UТочностьТермо-стаб.УтечкаПримечание
Слюдяной1пФ-
0,01мкФ
100-600Хорошая МалаяОчень хорошие: рекомендуются для радиочастот
Цилиндри-
ческин керамический
0,5пФ-
100пФ
100-600 Варьирует Несколько значений температурного коэффициента, включая 0
Керамический10пФ-
1мкФ
50-
30000
НизкаяНизкаяСредняяМалые габариты, недороги, широко используются
Полиэфирные (маяларовые)0,001мкФ-
50мкФ
50-600ХорошаяНизкаяМалаяХорошие, недорогие, широко используются
Полисти-
ролвые
10 пФ-
2.7мкФ
100-600ОтличнаяВысокаяОчень малаяВысоко-
качестенные, крупногабаритные, рекомендуются для фильтров
Поликар-
боватные
10ОпФ-
ЗОмкФ
50-800ОтличнаяОтличнаяМалаяВысоко-
качественные имеют малые габариты
Полипро-
пиленовые
100пФ-
50мкФ
100-800ОтличнаяВысокаяОчень малаяВысоко-
качественные; низкое диэлектрическое поглощение
Тефлоновые100 пФ-
2мкФ
50-200ОтличнаяОтличнаяСамая малаяВысоко-
качественные, самое низкое диэлектрическое поглощение
Стеклянные10 пФ-
1000мкФ
100-600Хорошая Очень малаяСтабильны при длительной эксплуатации
Фарфоровые100 пФ-
0,1мкФ
50-400ХорошаяВысокаяМалаяХорошие: стабильные при длительной эксплуатации
Танталовые0.1мкФ-
500мкФ
6-100НизкаяНизкая Большая емкость; поляризованные; малогабаритные; небольшая индуктивность
Электро-
литаческие
0,1мкФ-
1,6Ф
3-600Хуже не
бывает
Хуже не
бывает
УжаснаяФильтры источников питания; поляризованные; короткий срок службы
С двойным слоем диэлектрика0,1Ф-
10Ф
1,5-6НизкаяНизкаяМалаяПоддержка памяти; высокое последовательное сопротивление
Масляные0,1мкФ-
20мкФ
200-
10000
МалаяВысоковольтные фильтры; крупногабаритные, длительный срок службы
Вакуумные1пФ-
5000пФ
2000-
36000
Очень малаяПередатчики

Упражнение 1.12. Получите выражение для емкости двух последовательно соединенных конденсаторов. Подсказка: так как точка соединения конденсаторов не имеет внешних подключений, то заряд, накопленный двумя конденсаторами, должен быть одинаков.


Индуктивности и трансформаторы


Как подобрать и рассчитать гасящий конденсатор

Как подобрать и рассчитать гасящий конденсатор

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

В самом начале темы, относительно подбора гасящего конденсатора, рассмотрим цепь, состоящую из резистора и конденсатора, последовательно подключенных к сети. Полное сопротивление такой цепи будет равно:

Эффективная величина тока, соответственно, находится по закону Ома, напряжение сети делить на полное сопротивление цепи:

В результате для тока нагрузки и входного и выходного напряжений получим следующее соотношение:

А если напряжение на выходе достаточно мало, то мы имеем право считать эффективное значение тока приблизительно равным:

Однако давайте рассмотрим с практической точки зрения вопрос подбора гасящего конденсатора для включения в сеть переменного тока нагрузки, рассчитанной на напряжение меньшее стандартного сетевого.

Допустим, у нас есть лампа накаливания мощностью 100 Вт, рассчитанная на напряжение 36 вольт, и нам по какой-то невероятной причине необходимо запитать ее от бытовой сети 220 вольт. Лампе необходим эффективный ток, равный:

Тогда емкость необходимого гасящего конденсатора окажется равна:

Имея такой конденсатор, мы обретаем надежду получить нормальное свечение лампы, рассчитываем, что она по крайней мере не перегорит. Такой подход, когда мы исходим из эффективного значения тока, приемлем для активных нагрузок, таких как лампа или обогреватель.

Но что делать, если нагрузка нелинейна и включена через диодный мост? Допустим, необходимо зарядить свинцово-кислотный аккумулятор. Что тогда? Тогда зарядный ток окажется для батареи пульсирующим, и его значение будет меньше эффективного значения:

Иногда радиолюбителю может быть полезным источник питания, в котором гасящий конденсатор включен последовательно с диодным мостом, на выходе которого имеется в свою очередь конденсатор фильтра значительной емкости, к которому присоединена нагрузка постоянного тока. Получается своеобразный бестрансформаторный источник питания с конденсатором вместо понижающего трансформатора:

Здесь нагрузка в целом будет нелинейной, а ток станет уже далеко не синусоидальным, и вести расчеты необходимо будет несколько иначе. Дело в том, что сглаживающий конденсатор с диодным мостом и нагрузкой внешне проявят себя как симметричный стабилитрон, ведь пульсации при значительной емкости фильтра станут пренебрежимо малыми.

Когда напряжение на конденсаторе будет меньше какого-то значения — мост будет закрыт, а если выше — ток пойдет, но напряжение на выходе моста расти не будет. Рассмотрим процесс более подробно с графиками:

В момент времени t1 напряжение сети достигло амплитуды, конденсатор C1 также заряжен в этот момент до максимально возможного значения минус падение напряжения на мосте, которое будет равно приблизительно выходному напряжению. Ток через конденсатор C1 равен в этот момент нулю. Далее напряжение в сети стало уменьшаться, напряжение на мосте — тоже, а на конденсаторе C1 оно пока не изменяется, да и ток через конденсатор C1 пока что нулевой.

Далее напряжение на мосте меняет знак, стремясь уменьшиться до минус Uвх, и в тот момент через конденсатор C1 и через диодный мост устремляется ток. Далее напряжение на выходе моста не меняется, а ток в последовательной цепочке зависит от скорости изменения питающего напряжения, словно к сети подключен только конденсатор C1.

По достижении сетевой синусоидой противоположной амплитуды, ток через C1 опять становится равным нулю и процесс пойдет по кругу, повторяясь каждые пол периода. Очевидно, что ток течет через диодный мост только в промежутке между t2 и t3, и величину среднего тока можно вычислить, определив площадь закрашенной фигуры под синусоидой, которая будет равна:

Если выходное напряжение схемы достаточно мало, то данная формула приближается к полученной ранее. Если же выходной ток положить равным нулю, то получим:

То есть при обрыве нагрузки выходное напряжение станет равно амплитуде сетевого!!! Значит следует применять такие компоненты в схеме, чтобы каждый из них выдержал бы амплитуду напряжения питания.

Кстати, при снижении тока нагрузки на 10%, выражение в скобках уменьшится на 10%, то есть напряжение на выходе увеличится примерно на 30 вольт, если изначально имеем дело, скажем, с 220 вольтами на входе и с 10 вольтами на выходе. Таким образом, использование стабилитрона параллельно нагрузке строго обязательно!!!

А что если выпрямитель однополупериодный? Тогда ток необходимо рассчитывать по такой формуле:

При небольших значениях выходного напряжения ток нагрузки станет вдвое меньшим, чем при выпрямлении полным мостом. А напряжение на выходе без нагрузки окажется вдвое большим, так как здесь мы имеем дело с удвоителем напряжения.

Итак, источник питания с гасящим конденсатором рассчитывается в следующем порядке:

  • Первым делом выбирают, каким будет выходное напряжение.
  • Затем определяют максимальный и минимальный токи нагрузки.
  • Далее определяют максимум и минимум напряжения питания.
  • Если ток нагрузки предполагается непостоянный, стабилитрон параллельно нагрузке обязателен!
  • Наконец, вычисляют емкость гасящего конденсатора.

Для схемы с двухполупериодным выпрямлением, для сетевой частоты 50 Гц, емкость находится по следующей формуле:

Полученный по формуле результат округляют в сторону емкости большего номинала (желательно не более 10%).

Следующим шагом находят ток стабилизации стабилитрона для максимального напряжения питания и минимального тока потребления:

Для однополупериодной схемы выпрямления гасящий конденсатор и максимальный ток стабилитрона вычисляют по следующим формулам:

Выбирая гасящий конденсатор, лучше ориентироваться на пленочные и металлобумажные конденсаторы. Конденсаторы пленочные небольшой емкости — до 2,2 мкф на рабочее напряжение от 250 вольт хорошо работают в данных схемах при питании от сети 220 вольт. Если же вам нужна большая емкость (более 10 мкф) — лучше выбрать конденсатор на рабочее напряжение от 500 вольт.

Ранее ЭлектроВести писали, что в работе первого энергоблока Запорожской атомной электростанции (АЭС) произошел сбой.

По материалам: electrik.info.

Что такое конденсаторные цепи?

До сих пор мы познакомились с источниками питания, резисторами и переключателями и изучили значение напряжения, тока, сопротивления и рассеиваемой мощности в цепях. В этой статье рассматривается еще один тип электронного компонента: конденсатор.

Основные термины

o         Конденсатор

o         Емкость

o         Фарада

Цели

o         Распознать функцию конденсатора

o         Анализ простых цепей, содержащих конденсаторы

Обратите внимание: не пытайтесь воспроизвести схемы, иллюстрации или инструкции из этой статьи в реальных условиях.Это может привести к поражению электрическим током, травме или смерти. Эти примеры приведены только для теоретического обсуждения, а не для фактического/физического использования.

Резисторы являются важными электронными компонентами, но многие сложные электронные схемы имеют гораздо большее значение. Сети резисторов довольно «статичны», то есть их параметры не сильно меняются с течением времени. Это нормально в случае, скажем, с лампочкой — обычно вам нужен постоянный источник света, а не мерцание или мигание. Но что, если мы хотим сделать что-то более интересное, например, создать падение напряжения, которое со временем уменьшается или увеличивается? Нам нужно нечто большее, чем просто резисторы.В этой статье мы обсудим один такой компонент: конденсатор.

Что такое конденсатор?

Заряд может двигаться в проводнике, и он движется под действием электрической силы. Как правило, провода электрически нейтральны, но они могут проводить заряд, и заряд может также накапливаться в частях материала в ответ на электрические силы. Представьте сценарий ниже, где у нас есть наш обычный источник питания (напряжения). Каждая клемма соединена с металлической пластиной, но эти две пластины разделены изолятором (например, воздухом), что означает, что между ними не может перемещаться заряд.Также мы добавим переключатель, который начинается в положении «открыто».

Когда переключатель разомкнут, ничего не происходит — нижняя металлическая пластина находится на «земле», а верхняя металлическая пластина отключена от любого источника напряжения. (Мы также предполагаем, что он находится на «земле».) Таким образом, между пластинами не существует электрических сил. Теперь давайте замкнем переключатель и посмотрим, что произойдет.

Первоначально, когда ток только начинает течь в цепи, две пластины не имеют разности напряжений на них.Но положительный заряд перемещается от положительной клеммы источника питания к верхней пластине и начинает накапливаться (нижняя пластина находится на земле, и положительный заряд притягивается к ней электрической силой). Обратите внимание, что ток не может течь между этими пластинами, потому что они разделены. Когда положительный заряд накапливается в верхней пластине, положительный заряд отталкивается от нижней пластины, оставляя на ней эквивалентный отрицательный заряд.

Заряд будет накапливаться до тех пор, пока падение напряжения между двумя пластинами не станет равным напряжению питания, В. Обратите внимание, что существование электрической силы между пластинами (и, следовательно, разности электрических потенциалов) ясно видно, поскольку одна пластина заряжена положительно, а другая отрицательно. По сути, эти пластины похожи на источник питания, который «заряжается» или «запитывается» от батареи (или другого источника) в цепи. Другими словами, эти пластины способны накапливать электрическую энергию за счет накопления заряда. Такое устройство, включающее в себя проводящие пластины, независимо от их формы, называется конденсатором . Мы будем использовать следующий интуитивно понятный символ схемы для конденсатора.

Как вы могли догадаться, пластины большего размера оставляют больше места для накопления заряда. Кроме того, чем ближе пластины, тем сильнее сила между аккумулирующими зарядами. Способность конденсатора удерживать заряд называется его емкостью , , которую мы будем обозначать как C. (Единицей емкости в СИ является фарад — мы не будем рассматривать этот агрегат много, однако.Тем не менее, один фарад равен одному кулону на вольт, что довольно интуитивно, если подумать!) Если конденсатор может удерживать больший заряд при данном падении напряжения на нем, то его емкость выше.

Практическая задача : Конденсатор имеет емкость 1 фарад. Если падение напряжения на нем составляет 10 вольт, сколько кулонов заряда он может удерживать?

Решение : Используйте определение фарады: это то, сколько заряда может удерживать конденсатор, измеряемый в кулонах на вольт падения напряжения.Таким образом, если конденсатор имеет падение напряжения 10 В, он будет удерживать заряд 10 Кл. (Умножьте падение напряжения на «емкость» заряда — это должно быть то же самое, что и емкость в фарадах. Другими словами, используйте соотношение Q = CV, где Q — заряд, хранящийся в конденсаторе, C — емкость, V — напряжение.)

Что могут конденсаторы?

Вам может быть не сразу понятно, как можно использовать конденсаторы. А пока давайте посмотрим на схему ниже, чтобы увидеть, на что способен конденсатор.

Сначала замкните переключатель S 1 , чтобы зарядить конденсатор; поскольку S 2 остается разомкнутым, на резисторе нет падения напряжения, поэтому он не участвует в работе схемы.

Как мы обсуждали выше, конденсатор будет «заряжаться», пока не достигнет напряжения В . (Время, необходимое для этого процесса, зависит от ряда факторов: если провода действительно идеальные проводники, то процесс мгновенный, но если провод имеет некоторое сопротивление, как это имеет место в действительности, то этот процесс занимает некоторое конечное время. количество времени.) Как только конденсатор заряжен, размыкаем переключатель S 1 ; Верхняя пластина сохраняет свой заряд (поскольку она не соединена с землей), поэтому напряжение на С остается В вольт.

Теперь замкните переключатель S 2 . Положительный заряд на верхней пластине конденсатора теперь имеет путь к земле через резистор R. Следуя принципам анализа цепей, мы знаем, что (первоначально) падение напряжения на резисторе составляет В.

Но по мере того, как избыточный заряд в верхней пластине конденсатора стекает на землю, конденсатор теряет накопленную энергию, а это означает, что его напряжение уменьшается. Таким образом, по закону Ома уменьшается и сила тока. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не истощится заряд конденсатора; в этот момент цепь «не работает» (это просто означает, что больше нет напряжения или тока через R и C ). (Кстати, положительный заряд в этом случае лучше всего рассматривать как движущийся к нижней пластине конденсатора, где он «нейтрализует» отрицательный ток, накопленный при зарядке конденсатора.)

В этот момент конденсатор необходимо перезарядить, чтобы повторить процесс. Если в этой цепи одновременно замкнуты оба ключа, то конденсатор также заряжается, но как только он достигает максимальной емкости, единственный ток, протекающий через резистор R. Этот ток можно найти с помощью закона Ома.

Таким образом, при полной зарядке в этой цепи конденсатор фактически аналогичен разомкнутому выключателю!


В этой статье конденсатор представлен лишь вкратце, и сделано это с минимумом математических расчетов.Чтобы по-настоящему понять, что происходит с конденсаторами, нам потребуется сложная математика и более сложная электрическая теория. Но, как вы можете видеть из краткого обсуждения выше, конденсаторы — это электронные компоненты, которые могут накапливать электрическую энергию за счет накопления заряда. Эта функция важна, например, в цепях радиосвязи, и это только один пример!

Учебное пособие по конденсаторам

: работа и использование в схемах

Конденсаторы

являются одним из наиболее часто используемых компонентов электронной схемы.Будет справедливо сказать, что практически невозможно найти работающую схему без использования конденсатора. Этот учебник написан, чтобы дать хорошее представление о работе конденсаторов и о том, как их использовать в практических схемах. В этом руководстве основное внимание уделяется трем важным вопросам, которые могут возникнуть у новичка в отношении конденсаторов.

  1. Что такое конденсатор?
  2. Рабочий конденсатор?
  3. Как использовать конденсаторы в цепях?

К концу этого урока вы будете лучше понимать работу конденсаторов.Также этот учебник научит вас, как использовать конденсатор в практических схемах. Вы можете ознакомиться с предыдущим учебным пособием «Резисторы: работа и использование в цепях»

.

ЧТО ТАКОЕ КОНДЕНСАТОР:

Конденсатор является одним из пассивных компонентов (не может генерировать энергию самостоятельно) в электронике. Этот конденсатор способен накапливать в себе электрический заряд, что приводит к возникновению напряжения или, другими словами, потенциальной энергии на его выводах. Проще говоря, это как батарея, но она может хранить заряд только временно.Чтобы сделать вещи интересными, он по-разному реагирует на постоянный ток (постоянный ток) по сравнению с переменным током (переменный ток). Мы объясним это далее в разделе «Работа конденсатора», а теперь давайте посмотрим, как устроен конденсатор.

ВНУТРИ КОНДЕНСАТОРА:

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

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

.

С = Q/V

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

ФАРАД:

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

РАБОЧИЙ КОНДЕНСАТОР:

Теперь пришло время углубиться в работу конденсатора. Как указано выше, конденсатор действует по-разному на переменный и постоянный ток.

КОНДЕНСАТОР С ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ:

Давайте сначала рассмотрим DC и посмотрим, как он реагирует на DC.Первоначально конденсатор будет в разряженном состоянии, то есть на его пластинах будет нулевой заряд. Когда на его клеммы подается постоянное напряжение, ток течет и заряжает его. Начальный поток этого зарядного тока через конденсатор будет очень высоким. Это приводит к тому, что на одной пластине накапливается положительный заряд, а на другой — отрицательный. По мере увеличения заряда на пластинах конденсатора зарядный ток постепенно уменьшается из-за накопления заряда на его пластинах, и он сопротивляется протеканию тока.Кроме того, заряд, накопленный на пластинах, создает разность потенциалов напряжения на пластинах.

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

Ток разрядки замедляется через некоторый момент времени, в этот момент скорость падения напряжения также замедляется. Через некоторое время напряжение конденсатора Vc достигнет нуля, и заряд, накопленный на его пластинах, будет равен нулю.Это состояние называется разряженным состоянием конденсатора. Теперь вы можете понять, почему мы сравнили конденсатор с батареей.

КОНДЕНСАТОР С ПЕРЕМЕННЫМ ТОКОМ: 

Как было сказано ранее, конденсатор по-разному реагирует на питание переменным током. При подаче постоянного напряжения конденсатор заряжается только в одном направлении. Однако при подаче переменного тока конденсатор заряжается и разряжается попеременно в зависимости от его частоты. И, следовательно, при переменном напряжении конденсатор будет продолжать пропускать ток через него на неопределенный срок, в отличие от постоянного тока, где конденсатор блокирует ток через определенный период времени.

Интересно то, что ток заряда и ток разряда через конденсатор при воздействии на него переменного напряжения зависит от изменения напряжения, приложенного к его обкладкам. Ток, протекающий в конденсаторе при подаче переменного тока, имеет тенденцию опережать напряжение на 90°. Взгляните на приведенный ниже график.

Учтите, что к конденсатору приложено переменное напряжение, начальное напряжение будет минимальным, а в этот момент зарядный ток будет максимальным, как вы можете видеть на графике выше.Когда напряжение достигает своего пикового значения, зарядный ток будет равен нулю. После достижения пикового значения напряжение начнет уменьшаться, и ток разряда также начнет течь от конденсатора. Когда напряжение переменного тока достигает нулевого напряжения, завершающего положительный полупериод сигнала, ток разряда будет максимальным. Как только сигнал начинается с отрицательного цикла, ток разряда постепенно начинает уменьшаться и достигает нуля, как только напряжение достигает максимума в отрицательном полупериоде. Таким образом, мы можем заключить, что ток опережает напряжение на 90° или напряжение отстает от тока на 90° в цепях переменного тока.Обычно это описывается как противофаза напряжения и тока.

РЕАКТИВНАЯ ЕМКОСТЬ:

Еще одна важная вещь, которую нужно знать о конденсаторах в цепях переменного тока, заключается в том, что они оказывают сопротивление току, протекающему в цепях переменного тока. Это относится к реактивному сопротивлению и, более конкретно, к емкостному реактивному сопротивлению. Это реактивное сопротивление находится по формуле

.

Xc = 1/2πFC или 1/ωC ​​(ω = 2πF)

Из приведенной выше формулы можно сделать вывод, что емкостное реактивное сопротивление уменьшается с увеличением частоты сигнала переменного тока и емкости конденсатора.Когда частота сигнала высока или близка к бесконечности, реактивное сопротивление будет близко к нулю. Здесь конденсатор действует как идеальный проводник. Кроме того, когда частота сигнала переменного тока становится меньше или близка к нулю, реактивное сопротивление будет очень высоким, и оно действует как очень большое сопротивление или разомкнутая цепь для входящего сигнала.

ПРИМЕНЕНИЕ КОНДЕНСАТОРОВ:

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

РАЗЪЕДИНИТЕЛЬНЫЙ КОНДЕНСАТОР:

Это конденсаторы, которые очень важно использовать во всех цифровых схемах. Цифровые ИС или чипы в идеале нуждаются в стабильном напряжении для работы. Любой всплеск или колебание напряжения может привести к неработоспособности чипа, а иногда и к выходу его из строя. Именно здесь в игру вступит развязывающий конденсатор. Это конденсаторы, которые обычно используются рядом с микросхемами, соединяющими контакты VCC и GND микросхемы, как показано на приведенной выше принципиальной схеме.

Когда цепь включена, развязывающий конденсатор начинает заряжаться через Vcc и прекращает зарядку, как только напряжение конденсатора достигает напряжения питания. В этот момент, когда есть колебания напряжения питания, конденсатор будет подавать питание на ИС в течение короткого периода времени, чтобы поддерживать стабильное напряжение на ИС. Также при скачке входного напряжения питания конденсатор начинает заряжаться до своего нового напряжения питания. При этом вход напряжения на IC1 остается стабильным. В больших схемах со многими ИС часто рекомендуется использовать большой конденсатор рядом с источником питания и маленький конденсатор рядом с каждой ИС, используемой в цепи.Большой конденсатор обеспечит стабильное напряжение по всей цепи. Маленькие заглавные буквы удовлетворяют потребность в используемых с ним микросхемах.

КОНДЕНСАТОР СОЕДИНЕНИЯ:

 

Мы видели, что развязывающие конденсаторы используются для блокировки колебаний напряжения или, другими словами, они помогают блокировать сигналы переменного тока, поскольку колебания или падение напряжения являются формой сигнала переменного тока, поскольку напряжение сигнала изменяется во времени. С другой стороны, конденсатор связи блокирует сигнал постоянного тока, пропуская сигнал переменного тока.Другими словами, эти конденсаторы используются для соединения или соединения входного сигнала переменного тока со следующей стадией цепи, блокируя нежелательные сигналы постоянного тока.

Эти конденсаторы широко используются в усилителях и аудиоприложениях, где нас интересуют только сигналы переменного тока. Возьмем, к примеру, у нас есть аудиосхему, питаемую от источника постоянного тока 9 В. Схема принимает голосовой ввод с микрофона, и этот голосовой ввод (сигнал переменного тока) представляет для нас интерес. Существует огромная вероятность того, что сигнал постоянного тока от источника питания 9 В может быть смешан с этим входным голосовым сигналом.И для того, чтобы исключить этот элемент постоянного тока из нашего голосового ввода, используется конденсатор связи C1 (показан на схеме выше), где он блокирует сигнал постоянного тока и разрешает сигнал с переменной частотой. Помните, мы узнали, что конденсатор имеет очень высокое сопротивление или блокирует сигнал постоянного тока.

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

ФИЛЬТРЫ:

Это схемные блоки, используемые для фильтрации нежелательных частот входного сигнала. Конденсаторы составляют неотъемлемую часть при создании фильтров наряду с резисторами и индукторами.Фильтры имеют расширенную функциональность, чем конденсаторы развязки. В основном есть три разных типа фильтров, о которых вам нужно знать.

ФИЛЬТР НЧ:

Фильтры нижних частот используются для пропуска частотных составляющих ниже частоты среза и блокирования частотных составляющих выше этой. Вот как это работает, когда входящий сигнал имеет низкую частоту. Конденсатор имеет высокое реактивное сопротивление (высокое сопротивление) по сравнению с резистором. Поэтому напряжение на конденсаторе будет очень высоким по сравнению с падением напряжения на резисторе.Поэтому мы получим входящий сигнал без затухания или с низким затуханием. Между тем, когда входящий сигнал имеет высокую частоту, реактивное сопротивление конденсатора будет низким. Таким образом, падение напряжения на резисторе будет очень высоким по сравнению с напряжением на конденсаторе, что блокирует переход сигнала к следующему каскаду.

ФИЛЬТР ВЧ:

Это фильтры, пропускающие только сигналы частот выше частоты среза и блокирующие сигналы более низких частот. Что происходит здесь, когда входящий сигнал имеет низкую частоту. Конденсатор проявляет высокое реактивное сопротивление и действует как разомкнутая цепь для сигнала.С другой стороны, когда входящий сигнал высокочастотного конденсатора имеет низкое реактивное сопротивление (сопротивление). Это очень мало по сравнению с резистором R1. Здесь падение напряжения на конденсаторе будет очень минимальным по сравнению с резистором и, следовательно, позволит выводить высокочастотный сигнал без затухания или с низким затуханием.

ПОЛОСНЫЙ ФИЛЬТР:

Это комбинация фильтров верхних и нижних частот. Этот фильтр пропускает только сигнал определенного диапазона частот и блокирует сигнал за пределами этого частотного диапазона.Этот тип фильтра в идеале должен иметь две частоты среза: верхнюю и нижнюю. Этот фильтр будет блокировать сигнал, частота которого меньше нижней частоты среза и больше верхней частоты среза. Как вы можете видеть на приведенной выше схеме, она построена с использованием фильтров верхних и нижних частот. Их комбинация разрешает только полосу частот между верхней и нижней частотами среза и блокирует сигнал за пределами этих частот.

ЦЕПИ ГРМ:

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

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

.

Т = РЦ

Для полной зарядки конденсатора требуется 5T или 5-кратная постоянная времени.Таким образом, применение приведенных выше значений резистора и конденсатора в этом уравнении даст 5-секундную временную задержку. Пять секунд задержки для конденсатора для достижения напряжения питания 9 В на его клеммах с момента подачи питания.

5Т = 5 х Р х С

= 5 х 10 кОм х 100 мкФ

Временная задержка = 5 сек.

Интересная вещь происходит за работой этой схемы, чтобы генерировать требуемую временную задержку. Чтобы понять это, давайте посмотрим на кривую зарядки конденсаторного графика.

На приведенном выше графике показано соотношение между напряжением, током и временем, необходимым для зарядки конденсатора. В момент времени t = 0 конденсатор будет в разряженном состоянии, и к цепи будет приложено постоянное напряжение. Как только напряжение подается, зарядный ток течет через конденсатор, накапливая равные и противоположные заряды на пластинах. Это приводит к увеличению напряжения конденсатора Vc. Ток зарядки будет максимальным в начале. Конденсатор будет заряжаться на 63% от напряжения питания, когда время достигнет постоянной T, которая отмечена цифрой 1 на графике выше.

Относительно этого к приведенной выше схеме T будет составлять 1 секунду, и к этому времени напряжение конденсатора составит 63% от 9 В, что составляет 5,67 В. И из графика вы можете сделать вывод, что 5T (постоянная времени) Cap будет заряжаться до приложенного напряжения, полностью остановив зарядный ток. Теперь говорят, что конденсатор полностью заряжен.

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

БАК ИЛИ НАСТРОЕННЫЕ ЦЕПИ:

Этот тип схемы в основном можно найти в радиопередатчиках, приемниках и приложениях выбора частоты. Конденсатор работает вместе с индуктором в этих цепях, чтобы выполнить свою работу. Резервные или настроенные схемы будут использоваться, когда нам нужно сгенерировать сигнал или получить сигнал определенной частоты из сложного сигнала с несколькими частотными компонентами, и именно отсюда произошло слово «настроенный». Элементы этой схемы C и L можно настроить в соответствии с нашими потребностями.

Работа вышеуказанной схемы основана на реактивном сопротивлении как конденсатора, так и индуктора. Как и конденсатор, индуктор имеет реактивное сопротивление. Но в отличие от конденсатора, индуктор демонстрирует высокое реактивное сопротивление к высокочастотным сигналам, тогда как конденсатор проявляет высокое реактивное сопротивление к низкочастотным сигналам. Эта схема резервуара будет построена таким образом, что реактивное сопротивление обоих элементов, конденсатора и индуктора, будет равным на частоте, что позволит достичь резонанса. При резонансе эта схема резервуара способна генерировать сигналы заданной частоты или принимать сигналы этой частоты.

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

ОБЗОР КОНДЕНСАТОРОВ:

  1. Конденсаторы состоят из двух параллельных пластин, разделенных изолирующей средой или диэлектриками.
  2. Конденсаторы хранят энергию в виде электрического заряда, в результате чего на его пластинах возникает напряжение.
  3. Количество заряда, которое он может хранить в своей пластине, определяется значением его емкости.
  4. Позволяет сигналу постоянного тока проходить только в течение определенного периода времени, в то время как сигнал переменного тока может проходить неограниченное время.
  5. Обладает высоким реактивным сопротивлением (сопротивлением) к низкочастотным сигналам и низким реактивным сопротивлением к высокочастотным сигналам.
  6. Конденсаторы
  7. чаще всего используются в усилителях, фильтрах, источниках питания, трансиверах и так далее.

Это почти все о конденсаторе и его работе.Надеюсь, что этот урок был информативным и дал вам представление о том, как он работает и как использовать его в практических схемах. Я также хотел бы добавить, что есть и другие приложения Capacitor, которые мы не рассмотрели в этом руководстве. Но я рассмотрел наиболее важные приложения здесь.

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

Связанный контент

Конденсаторы в цепях

  • Расчет цепи конденсатора
  •  • Конденсаторы серии
  •  • Параллельные конденсаторы

Конденсаторы последовательно.

Подобно резисторам и катушкам индуктивности, конденсаторы могут быть соединены последовательно, параллельно или последовательно-параллельно.Последовательное размещение конденсаторов эффективно увеличивает толщину диэлектрика и, таким образом, уменьшает общую емкость. Поскольку общая емкость обратно пропорциональна расстоянию между пластинами, формула, которую мы используем для конденсаторов в СЕРИИ:

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

Конденсаторы параллельно.

Параллельное соединение конденсаторов эффективно увеличивает площадь пластин, поэтому общая емкость определяется как сумма отдельных емкостей;

Все конденсаторы заряжаются до одинакового напряжения.

Обратите внимание, что при использовании этих формул значения должны быть введены в формулу в их ОСНОВНЫХ ЕДИНИЦАХ, т. е. ФАРАДАХ (не мкФ), кулонах (не мкКл) и ВОЛЬТАХ (не мВ).

Кратковременно 47 нФ; (наноФарады) вводится как; 15 EXP -09 и 25 мКл (милликулоны) вводится как; 25 ЕХР-03 и т.д.Проще всего это сделать с помощью научного калькулятора.

Попробуйте рассчитать общую емкость некоторых последовательных и параллельных цепей

Примеры серий

и параллельных цепей.

Справка по математике

Нужна помощь с математикой электроники? Загрузите нашу полезную брошюру с советами по покупке и использованию научного калькулятора, а также по сортировке всех этих значений электроники. Неоценимая помощь в математике электроники в этом модуле!

Конденсаторы и RC-цепи

Конденсаторы и RC-цепи Авторское право © Майкл Ричмонд.Эта работа находится под лицензией Creative Commons License.
  • При параллельном расположении конденсаторов эквивалент емкость
                   Cэкв = C1 + C2 + C3 + ...
     
  • Если конденсаторы расположены последовательно, эквивалент емкость
                    1 1 1 1
                   --- = --- + --- + --- + ...
                   C1 C2 C3
     
  • Объединение конденсаторов и резисторов в цепь производит изменяющийся во времени ток .Шкала времени, в течение которой ток (или заряд на конденсатор или напряжение на конденсаторе) изменяется
                 постоянная времени = R * C (секунды)
     
  • Величины в RC-цепи изменяются экспоненциально , то есть сначала быстро, потом все медленнее. Значения изменяются на один и тот же множитель (например, 1/2). на каждом равном шаге времени.
  • При зарядке конденсатора в RC-цепи
                                                   -т/RC
                 заряд на конденсаторе = Co * ( 1 - e )
    
                                             -т/RC
                 ток в цепи = Io * e
     
  • Когда конденсатор разряжается в RC-цепи,
                                             -т/RC
                 заряд на конденсаторе = Co * e
    
                                             -т/RC
                 ток в цепи = Io * e
     

Просмотр графика 1


Просмотр графика 2


Просмотр графика 3


Просмотр 4


Просмотр графика 5


Просмотр графика 6


Просмотр графика 7


Просмотр 8


Просмотр графика 9


Просмотр графика 10


Просмотр графика 11


Просмотр графика 12


Просмотр графика 13


Просмотр графика 14


Просмотр графика 15


Просмотр графика 16


Просмотр графика 17


Просмотр графика 18

Авторское право © Майкл Ричмонд.Эта работа находится под лицензией Creative Commons License.

Выбор конденсатора для связи и развязки

Саймон Ндириту из General Dielectrics объясняет некоторые базовые рекомендации по выбору конденсаторов для приложений связи и развязки.

Конденсаторы являются основными компонентами как аналоговых, так и цифровых электронных схем. Эти пассивные компоненты играют важную роль, влияя на рабочее поведение цепей. Характеристики конденсатора различаются в основном в зависимости от используемого диэлектрического материала.Диэлектрический материал определяет значение емкости, энергоэффективность и размер конденсатора. Конденсаторы с фиксированной емкостью можно разделить на две категории: полярные и неполярные конденсаторы. К неполярным конденсаторам относятся керамические, пленочные и бумажные конденсаторы. Алюминиевые электролитические конденсаторы и танталовые конденсаторы являются полярными компонентами.

В цепях конденсаторы используются для самых разных целей, включая накопление электрических зарядов, блокировку компонентов постоянного тока, обход компонентов переменного тока, фильтрацию нежелательных сигналов и т. д.Применение конденсатора в первую очередь зависит от его характеристик. Ключевые свойства, которые следует учитывать при выборе конденсатора для данного приложения, включают значение емкости, номинальное напряжение, характеристики частотной характеристики, стоимость и физический размер. Другие свойства конденсатора, которые могут влиять на работу электронной схемы, включают температурные характеристики, свойства самовосстановления, старение и воспламеняемость.

Конденсаторы связи

Конденсаторы связи используются в электронных схемах для передачи полезного сигнала переменного тока и блокировки нежелательных составляющих постоянного тока.Эти нежелательные сигналы постоянного тока исходят от электронных устройств или предшествующих каскадов электронной схемы. В аудиосистемах компоненты постоянного тока влияют на качество полезного сигнала, внося шум. Кроме того, сигналы постоянного тока влияют на характеристики усилителей мощности и увеличивают искажения. В цепях конденсатор связи подключается последовательно с сигнальным трактом. Конденсаторы связи используются как в аналоговых, так и в цифровых электронных схемах. Они находят множество применений в аудио- и радиочастотных системах.

Реактивная природа конденсатора позволяет ему по-разному реагировать на разные частоты. В приложениях связи конденсатор блокирует низкочастотные сигналы постоянного тока и пропускает высокочастотные сигналы переменного тока. По отношению к низкочастотным компонентам, таким как сигналы постоянного тока, конденсатор имеет высокий импеданс, тем самым блокируя их. С другой стороны, конденсатор имеет низкий импеданс по отношению к высокочастотным компонентам. Это позволяет пропускать высокочастотные сигналы, такие как компоненты переменного тока.

В аудиосистемах источники постоянного тока используются для питания аудиоцепей.Однако, поскольку аудиосигнал обычно представляет собой сигнал переменного тока, постоянная составляющая на выходе нежелательна. Чтобы предотвратить появление сигнала постоянного тока на выходном устройстве, последовательно с нагрузкой добавляется разделительный конденсатор.

Конденсаторы связи являются важными компонентами схем усилителей. Они используются для предотвращения влияния сигналов переменного тока на напряжение смещения транзистора. В большинстве схем усилителя это достигается путем передачи сигнала на вывод базы транзистора через разделительный конденсатор.Когда конденсатор с правильным значением емкости подключен последовательно, полезный сигнал может проходить, в то время как составляющая постоянного тока заблокирована.

Наличие компонентов постоянного тока в линии передачи может существенно повлиять на работу цифровой схемы. В системах связи разделительные конденсаторы используются для блокировки нежелательных составляющих постоянного тока. Блокировка составляющей постоянного тока помогает свести к минимуму потери энергии и предотвратить накопление заряда в цифровых схемах.

Типы конденсаторов для связи ​

При выборе конденсатора для приложений связи/блокировки по постоянному току ключевыми параметрами, которые следует учитывать, являются импеданс, эквивалентное последовательное сопротивление и последовательная резонансная частота.Значение емкости в первую очередь зависит от диапазона частот приложения и импеданса нагрузки/источника. Типы конденсаторов, которые обычно используются для связи, включают пленочные, керамические, танталовые, алюминиевые электролитические и алюминиево-органические/полимерные электролитические конденсаторы.

Танталовые конденсаторы

обеспечивают высокую стабильность при высоких значениях емкости и доступны в различных вариантах. По сравнению с керамическими эти конденсаторы имеют более высокое ESR и более дорогие.Для приложений связи танталовые конденсаторы более популярны, чем керамические конденсаторы.

Алюминиевые электролитические конденсаторы

дешевле танталовых. Они обеспечивают стабильную емкость и имеют характеристики ESR, аналогичные танталовым конденсаторам. Однако эти конденсаторы имеют относительно большие размеры и не рекомендуются для схем с ограниченным пространством на печатной плате. Алюминиевые электролитические конденсаторы широко используются для связи в усилителях мощности.

Керамические конденсаторы

недороги и доступны в небольших корпусах для поверхностного монтажа.Эти конденсаторы дешевле по сравнению с танталовыми конденсаторами. Хотя керамические конденсаторы обычно используются в аудио- и радиочастотных приложениях, они, как правило, не подходят для приложений, требующих превосходной производительности.

Большие физические размеры пленочных конденсаторов ограничивают их применение в сетях переменного тока. Если место не является проблемой, полипропиленовые и полиэфирные конденсаторы обладают характеристиками, которые делают их хорошим выбором для приложений связи в схемах предусилителя.

Развязывающие конденсаторы

Некоторые электронные схемы очень чувствительны к скачкам напряжения, и быстрые изменения напряжения могут сильно повлиять на их работу.Развязывающие конденсаторы используются в электронных схемах для предотвращения быстрых изменений напряжения, действуя как резервуары электрической энергии. В случае внезапного падения напряжения развязывающий конденсатор обеспечивает электроэнергию, необходимую для поддержания стабильного напряжения питания. С другой стороны, если происходит внезапный скачок напряжения, конденсатор стабилизирует напряжение, поглощая избыточную энергию.

Помимо стабилизации напряжения в электронных схемах, развязывающие конденсаторы также используются для пропуска компонентов постоянного тока при замыкании компонентов переменного тока на землю.Конденсаторы, которые используются для обхода помех переменного тока в электронных схемах, также широко известны как обходные конденсаторы. Шунтирующие конденсаторы поглощают шумы переменного тока, создавая более чистый сигнал постоянного тока.

Для устранения помех переменного тока параллельно резистору ставится развязывающий конденсатор. Конденсатор обеспечивает высокое сопротивление низкочастотным сигналам и меньшее сопротивление высокочастотным сигналам. Таким образом, низкочастотные компоненты постоянного тока используют резисторный тракт, в то время как высокочастотные компоненты переменного тока шунтируются на землю через шунтирующий конденсатор.Это дает чистый сигнал постоянного тока, свободный от компонентов переменного тока.

Типы конденсаторов для развязки ​
При выборе конденсатора для развязки очень важно учитывать электрические требования к конструкции. Ключевые параметры, которые следует учитывать при выборе шунтирующего конденсатора, включают самую низкую частоту сигнала переменного тока и значение сопротивления резистора. В большинстве случаев самая низкая частота составляет 50 Гц.

Хотя для развязки/шунтирования доступны различные типы конденсаторов, их характеристики заметно различаются в зависимости от используемого диэлектрического материала и структуры.Эти два параметра определяют температурную стабильность, линейность, номинальное напряжение, физический размер и стоимость. Типы конденсаторов, которые обычно используются для развязки, включают керамические, танталовые и алюминиевые электролитические конденсаторы.

Производительность и стоимость керамических конденсаторов делают их популярным вариантом для приложений с развязкой. Эти конденсаторы имеют низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентную последовательную индуктивность (ESL). Кроме того, многослойные керамические конденсаторы (MLCC) доступны в широком диапазоне корпусов и значений емкости.Керамические конденсаторы являются отличным вариантом для развязки в высокочастотных цепях.

Алюминиевые электролитические конденсаторы переключающего типа обычно используются для развязки в низкочастотных и среднечастотных электронных схемах. Эти конденсаторы недороги, доступны в широком диапазоне значений емкости и имеют высокое отношение емкости к объему. Однако алюминиевые электролитические конденсаторы подвержены температурному износу и имеют высокое ESR при низких температурах.Эти конденсаторы широко используются для развязки в потребительских товарах.

Твердотельные танталовые конденсаторы

имеют высокое значение CV и менее подвержены износу. Кроме того, они демонстрируют впечатляющую стабильность при низких температурах. По сравнению с алюминиевыми электролитическими конденсаторами танталовые конденсаторы имеют более высокое отношение емкости к объему и более низкое ESR. С другой стороны, танталовые конденсаторы дороги и ограничены низковольтными приложениями, обычно до 50 В. Эти конденсаторы обычно используются в приложениях с более высокой надежностью.

Пленочные конденсаторы

, такие как конденсаторы из полиэстера, полипропилена, тефлона и полистирола, имеют ограниченное применение для развязки. Хотя эти конденсаторы подходят для высоковольтных приложений и менее подвержены износу, стоимость их производства относительно высока. Тем не менее, характеристики этих конденсаторов делают их подходящими вариантами для высоковольтных, сильноточных и аудиоразвязок.

Заключение

Конденсаторы являются основными компонентами как аналоговых, так и цифровых электронных схем.Они используются для широкого спектра приложений, включая приложения связи, развязки, фильтрации и синхронизации. Конденсаторы связи пропускают компоненты переменного тока, блокируя компоненты постоянного тока. Развязывающие конденсаторы используются в электронных схемах в качестве резервуаров энергии для предотвращения быстрых изменений напряжения. Шунтирование конденсаторов очищает сигналы постоянного тока, шунтируя нежелательные компоненты переменного тока на землю. Конденсатор в значительной степени определяет производительность, срок службы и надежность электронной схемы. Поэтому рекомендуется использовать высококачественные компоненты, желательно от дистрибьюторов по франшизе или напрямую от производителя.

Похожие видео:


Узнайте больше о пассивах от экспертов отрасли! – Онлайн-курсы пассивных компонентов электронного обучения Академии EPCI для студентов и сертифицированные курсы для профессионалов:

Объяснитель: чем отличаются батареи и конденсаторы

переменный ток      (в электричестве) Часто сокращенно AC, переменный ток представляет собой поток электронов, который меняет направление через равные промежутки времени много раз в секунду.Большинство бытовых приборов работают от сети переменного тока. Но многие портативные устройства, такие как музыкальные плееры и фонарики, питаются от постоянного тока (DC), обеспечиваемого батареями.

 

анод      Отрицательный полюс батареи и положительно заряженный электрод в электролитической ячейке. Он притягивает отрицательно заряженные частицы. Анод является источником электронов для использования вне батареи, когда она разряжается.

 

атом      Основная единица химического элемента.Атомы состоят из плотного ядра, содержащего положительно заряженные протоны и нейтрально заряженные нейтроны. Вокруг ядра вращается облако отрицательно заряженных электронов.

 

батарея      Устройство, которое может преобразовывать химическую энергию в электрическую.

 

конденсатор      Электрический компонент, используемый для хранения энергии. В отличие от батарей, которые хранят энергию химически, конденсаторы хранят энергию физически, в форме, очень похожей на статическое электричество.

 

углерод      Химический элемент с атомным номером 6. Является физической основой всей жизни на Земле. Углерод существует свободно в виде графита и алмаза. Он является важной частью угля, известняка и нефти и способен к самосвязыванию химическим путем с образованием огромного количества химически, биологически и коммерчески важных молекул.

 

катод      Положительный полюс батареи и отрицательно заряженный электрод в электролитической ячейке.Он притягивает положительно заряженные частицы. Во время разряда катод притягивает электроны снаружи батареи.

 

керамика      Твердый, но хрупкий материал, изготовленный путем обжига глины или другого неметаллического минерала при высокой температуре. Кирпичи, фарфор и другие виды фаянса являются примерами керамики. Многие высокоэффективные керамики используются в промышленности, где материалы должны выдерживать суровые условия.

 

химический      Вещество, состоящее из двух или более атомов, которые соединяются (становятся связанными вместе) в фиксированной пропорции и структуре.Например, вода — это химическое вещество, состоящее из двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода. Его химический символ — H 2 O. Химический также может быть прилагательным, описывающим свойства материалов, которые являются результатом различных реакций между различными соединениями.

 

химическая реакция      Процесс, включающий перестройку молекул или структуры вещества, в отличие от изменения физической формы (например, из твердого состояния в газообразное).

 

цепь      Сеть, передающая электрические сигналы.В организме нервные клетки создают цепи, передающие электрические сигналы в мозг. В электронике провода обычно направляют эти сигналы для активации какой-либо механической, вычислительной или другой функции.

 

компонент      Изделие, являющееся частью чего-либо еще, например, элементы, входящие в состав электронной платы.

 

проводник      (в физике и технике) Материал, через который может протекать электрический ток.

 

текущий      Жидкое тело, например, состоящее из воды или воздуха, которое движется в узнаваемом направлении.(в электричестве) Поток электричества или количество электричества, проходящего через некоторую точку в течение определенного периода времени.

 

плотность      Показатель плотности объекта, определяемый путем деления массы на объем.

 

постоянный ток      (в электричестве) Часто сокращенно DC, постоянный ток представляет собой односторонний поток электронов. Энергия постоянного тока генерируется такими устройствами, как батареи, конденсаторы и солнечные элементы. Когда цепи требуется питание постоянного тока, некоторые электронные устройства могут преобразовывать мощность переменного тока (AC) в постоянный ток.

 

электронная сигарета      Устройство с батарейным питанием, которое рассеивает никотин и другие химические вещества в виде мельчайших частиц в воздухе, которые пользователи могут вдыхать. Первоначально они были разработаны как более безопасная альтернатива сигаретам, которую могли использовать потребители, пытаясь постепенно избавиться от своей зависимости от никотина, содержащегося в табачных изделиях. Эти устройства нагревают ароматизированную жидкость до тех пор, пока она не испарится, образуя пары. Люди используют эти устройства, известные как вейперы.

 

электрический заряд    Физическое свойство, отвечающее за электрическую силу; он может быть отрицательным или положительным.

 

электрический ток      Поток электрического заряда, называемый электричеством, обычно возникающий в результате движения отрицательно заряженных частиц, называемых электронами.

 

электрическое поле      Область вокруг заряженной частицы или объекта, в которой сила может действовать на другие заряженные частицы или объекты.

 

электричество      Поток заряда, обычно возникающий в результате движения отрицательно заряженных частиц, называемых электронами.

 

электрический потенциал     Известный как напряжение, электрический потенциал представляет собой движущую силу электрического тока (или потока электронов) в цепи. С научной точки зрения, электрический потенциал — это мера потенциальной энергии на единицу заряда (например, электрона или протона), хранящегося в электрическом поле.

 

электролит      Неметаллическая жидкость или твердое вещество, проводящее ионы — электрически заряженные атомы или молекулы — для переноса электрических зарядов.(Некоторые минералы в крови или других телесных жидкостях могут служить ионами, которые перемещаются, чтобы нести заряд.) Электролиты также могут служить ионами, которые перемещают положительные заряды внутри батареи.

 

электрон      Отрицательно заряженная частица, обычно вращающаяся вокруг внешних областей атома; также носитель электричества внутри твердых тел.

 

плотность энергии      Количество энергии, хранящейся в батарее, конденсаторе или другом накопителе, деленное на его объем.

 

инженер      Человек, который использует науку для решения проблем. Глагол «спроектировать» означает разработать устройство, материал или процесс, который решит какую-то проблему или неудовлетворенную потребность.

 

фактор      Что-то, что играет роль в определенном состоянии или событии; вкладчик.

 

поле      (в физике) Область пространства, в которой действуют определенные физические эффекты, такие как магнетизм (созданный магнитным полем), гравитация (гравитационное поле), масса (поле Хиггса) или электричество (электрическое поле). поле).

 

частота      Количество раз, когда указанное периодическое явление происходит в течение определенного интервала времени. (В физике) Количество длин волн, возникающее за определенный интервал времени.

 

графит      Как и алмаз, графит — вещество, содержащееся в грифеле карандаша, — представляет собой форму чистого углерода. В отличие от алмаза, графит очень мягкий. Основное различие между этими двумя формами углерода заключается в количестве и типе химических связей между атомами углерода в каждом веществе.

 

гибрид      Организм, полученный путем скрещивания двух животных или растений разных видов или генетически различных популяций внутри вида. Такое потомство часто обладает генами, передаваемыми каждым родителем, что дает комбинацию черт, не известных в предыдущих поколениях. Этот термин также используется в отношении любого объекта, который представляет собой смесь двух или более вещей.

 

изолятор      Вещество или устройство, плохо проводящее электричество.

 

ion      Атом или молекула с электрическим зарядом из-за потери или приобретения одного или нескольких электронов.

 

литий      Мягкий серебристый металлический элемент. Это самый легкий из всех металлов и очень реакционноспособный. Он используется в батареях и керамике.

 

слюда      Семейство минералов, многие из которых легко распадаются на мелкие блестящие хлопья.

 

минерал      Кристаллообразующие вещества, такие как кварц, апатит или различные карбонаты, входящие в состав горных пород.Большинство горных пород содержат смешанные вместе несколько различных минералов. Минерал обычно является твердым и стабильным при комнатной температуре и имеет определенную формулу или состав (с атомами, встречающимися в определенных пропорциях) и определенную кристаллическую структуру (это означает, что его атомы организованы в определенные регулярные трехмерные структуры).

 

диапазон      Полный объем или распределение чего-либо. Например, ареал растения или животного — это территория, на которой оно существует в природе.(в математике или для измерений) Степень, в которой возможно изменение значений. Кроме того, расстояние, на котором что-то может быть достигнуто или воспринято.

 

смартфон      Сотовый (или мобильный) телефон, который может выполнять множество функций, включая поиск информации в Интернете.

 

суперконденсатор      Конденсатор с двумя проводящими поверхностями или электродами (подобно другим конденсаторам), на которых накапливается заряд энергии.В отличие от обычных конденсаторов (но похожих на батареи), электролит разделяет два электрода. В этом смысле суперконденсатор, по сути, представляет собой гибрид батареи и конденсатора.

 

площадь поверхности      Площадь поверхности некоторого материала. Как правило, материалы меньшего размера и материалы с более шероховатой или более завитой поверхностью имеют большую площадь внешней поверхности на единицу массы, чем более крупные предметы или материалы с более гладкой поверхностью. Это становится важным, когда на поверхности происходят химические, биологические или физические процессы.

 

terminal      Конечная точка или последняя станция в некоторой системе, сети или процессе. Конец линии.

 

токсичный      Ядовитый или способный повредить или убить клетки, ткани или целые организмы. Мерой опасности такого яда является его токсичность.

 

настроить      (в инженерном деле) Отрегулировать до нужного уровня.

 

турбина      Устройство с вытянутыми лопастями в виде рук (часто изогнутыми), улавливающее движущуюся жидкость — от газа или пара до воды — и затем преобразующее энергию этого движения во вращательное движение.Часто это вращательное движение заставит систему вырабатывать электричество.

 

напряжение      Сила, связанная с электрическим током, которая измеряется в единицах, известных как вольты. Энергетические компании используют высокое напряжение для передачи электроэнергии на большие расстояния.

Часть 3: Конденсатор — скрытая звезда электронных схем — Роль № 2: Блокирование постоянного тока и пропускание переменного тока|Понимание типов и функций конденсаторов в пяти статьях

Может ли ток течь через диэлектрик (изолятор) конденсатора?

Нетрудно понять, как конденсатор блокирует постоянный ток.Например, если вы подключите конденсатор к сухой батарее — источнику питания постоянного тока — ток будет течь на мгновение, но быстро прекратится. Как только источник питания полностью зарядит конденсатор, постоянный ток через него больше не течет. Поскольку пластины электродов конденсатора разделены изолятором (воздухом или диэлектриком), постоянный ток не может протекать, пока изоляция не разрушится. Другими словами, конденсатор блокирует постоянный ток. Почему же тогда конденсатор пропускает переменный ток?

Изменения в электрических полях эквивалентны протеканию тока

В переменном токе полярность постоянно меняется с положительной на отрицательную.Конденсаторы многократно заряжаются и разряжаются по мере того, как меняется полярность тока, позволяя протекать переменному току.

Давайте объясним это, используя основные законы электромагнетизма. Когда электрический ток течет по проводнику, линии магнитного потока генерируются по часовой стрелке в направлении тока (магнитный эффект электрического тока, открытый Гансом Эрстедом). Когда направление тока меняется на противоположное, меняется и направление линий потока.

Так что же происходит, когда вы подключаете конденсатор к источнику переменного тока? При изменении направления тока изменяется и направление электрического поля, создаваемого между электродными пластинами конденсатора.Осциллирующие электрические поля генерируют осциллирующие магнитные поля, которые считаются эквивалентными протеканию электрического тока (теории электромагнетизма Джеймса Максвелла). Поэтому допустимо считать, что переменный ток «течет» внутри диэлектрика конденсатора, хотя диэлектрик является изолятором. Так мы объясняем способность конденсаторов «проводить» переменный ток. Однако это не означает, что ток течет через диэлектрик конденсатора так же, как он течет по проводнику.Точнее, ток, протекающий через проводник, называется кондуктивным током, а ток, протекающий через изолятор, называется током смещения.

Конденсаторы легче пропускают переменный ток на более высоких частотах

Напряжение ( В ) = Сопротивление ( R ) x Ток ( I ).Это знаменитый закон Ома, который мы изучаем на уроках естествознания в школе. Закон также распространяется на переменный ток, протекающий через резистор. Конденсатор также ведет себя как резистор по отношению к переменному току — свойство, известное как емкостное реактивное сопротивление. Однако конденсатор не проводит все формы переменного тока одинаково: его емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте переменного тока.

Емкостное реактивное сопротивление ( Xc ) выражается как 1 / (2πfC) , где f — частота переменного тока, а C — емкость конденсатора.Другими словами, чем выше частота и чем больше емкость, тем меньше сопротивление (емкостное сопротивление) переменному току и, следовательно, тем легче проходит ток.

Причина, по которой конденсаторы используются для подавления помех

Конденсаторы, используемые для шумоподавления, лучше пропускают высокочастотные переменные токи.Поскольку шум в значительной степени представляет собой набор переменных токов на высоких частотах, компонент, который плавно передает высокие частоты, может быть использован для уменьшения шума.

Например, при включении люминесцентного светильника в радио может быть слышен шум. Для освещения люминесцентной лампы требуется высокое напряжение (называемое ударным напряжением); он создается катушкой балласта и повторяющимся размыканием и замыканием контактов стартера выключателя накаливания. Когда свет включается и стартер начинает открываться и закрываться, ток течет и быстро останавливается.К таким резким изменениям относятся токи высокой частоты, которые мешают радиоприему и вызывают слышимые шумы. Чтобы облегчить проблему, параллельно пускателю подключен конденсатор для подавления помех. Неотъемлемое свойство конденсатора направляет шумы через конденсатор, уменьшая их внешнюю утечку.

Однако существует множество различных типов шума, и конденсаторы не могут устранить их все. Особенно в цепях, которые работают с небольшими токами и низкими напряжениями, шум может вызвать неисправности или даже повреждения.Вот почему принимается сложный набор мер противодействия шуму, таких как использование шумовых фильтров в сочетании с катушками индуктивности и электромагнитным экранированием.

Разнообразные LC-фильтры состоят из катушек индуктивности и конденсаторов

.

В электронных схемах свойство конденсаторов более плавно пропускать высокочастотные переменные токи используется множеством способов.Наиболее простой формой является схема, которая сочетает в себе конденсатор и резистор.

В цепи, когда конденсатор соединен параллельно, а резистор последовательно, высокочастотные компоненты переменного тока текут в землю (землю). По сути, это поведение фильтра нижних частот (ФНЧ) , который отсекает высокочастотные компоненты и пропускает низкочастотные компоненты (см. левую часть рисунка ниже).

И наоборот, когда конденсатор соединен последовательно, а резистор параллельно, компоненты постоянного тока блокируются, в то время как высокочастотные компоненты переменного тока проходят через цепь, эффективно создавая фильтр верхних частот (ФВЧ) (ФВЧ) , отсекающий низкие частоты. частотные компоненты и пропускает более высокие частоты (см. правую часть рисунка ниже).

В реальных ФНЧ и ФВЧ катушки индуктивности (катушки) используются вместо резисторов для улучшения частотных характеристик и получения более крутых кривых отклика. Все вместе они называются LC-фильтрами, включая полосовые фильтры (BPF) , которые пропускают только определенные диапазоны частот, потому что все они сочетают в себе катушки индуктивности (обозначаются как L ) и конденсаторы ( C ).

 

Конденсаторы связи, байпаса и развязки

В схемах, включающих ИС, широко используются конденсаторы, позиционируемые как конденсаторы связи, шунтирующие конденсаторы и конденсаторы развязки.

На рисунке ниже показан пример обычной аналоговой схемы, в которой ток усиливается транзистором — ток слабого сигнала (AC) накладывается на постоянное напряжение и подается на следующий каскад. Однако, поскольку отдельные блоки схемы имеют разные условия работы, необходимо пропускать только сигнальный ток, блокируя постоянный ток, поэтому используется конденсатор. Это использование называется конденсатором связи.

Шунтирующий конденсатор используется для направления (шунтирования) помех и других компонентов переменного тока на землю.На схеме ниже он расположен между питанием и землей. Он обходит помехи, наложенные на источник питания постоянного тока, и подает стабильное напряжение на транзистор. Если напряжение, подаваемое на микросхему, колеблется, поведение схемы может стать нестабильным. Чтобы предотвратить это, между выводом питания микросхемы и землей помещается конденсатор (см. рисунок ниже). Это также пример обходного конденсатора. Его также называют развязывающим конденсатором, поскольку он отделяет переменный ток от постоянного, позволяя проходить только постоянному току.Иногда для улучшения характеристик в широком диапазоне частот конденсатор большой емкости подключают параллельно многослойному керамическому чип-конденсатору с устойчивыми высокочастотными характеристиками.

Новичкам может показаться, что терминология в этой статье трудна для понимания, но не стоит заморачиваться. Все они являются приложениями одного и того же основного свойства конденсатора: блокировать постоянный ток, позволяя пропускать переменный ток, и легче на более высоких частотах.

При этом в высокочастотном диапазоне резистивная и индуктивная (катушка) составляющие проводки и внутренних электродов становятся заметными, а сам конденсатор начинает вести себя как LC-фильтр. Другими словами, конденсатор показывает другое лицо в высокочастотной области — предмет, который мы рассмотрим в следующей статье.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *