Что такое конденсатор и как они используются
Приветствую, друзья!
Мы уже рассматривали, как устроены «кирпичики», из которых собран компьютер.
Вы уже знаете, как устроены и как работают полупроводниковые диоды, полевые и биполярные транзисторы.
Вы уже знакомы с таким понятием, как SMD компоненты.
Давайте познакомимся с еще одной интереснейшей штуковиной — конденсатором.
Из всего многообразия конденсаторов мы рассмотрим лишь те, которые используются в компьютерах и периферийных устройствах.
Что такое конденсатор?
Конденсатор — это деталь с двумя выводами (двухполюсник), позволяющая накапливать энергию.
Конденсатор характеризуется такой величиной, как ёмкость.
Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше энергии он может накопить и тем (грубо говоря) больше его габариты.
Конденсатор может не только накапливать энергию, но и отдавать ее.
Именно в таком режиме он чаще всего и работает.
Конденсатор, в отличие от транзистора, является пассивным компонентом, т.
е. есть он не может генерировать или усиливать сигнал.
Как устроен конденсатор?
В простейшем случае конденсатор состоит из двух металлических пластин (обкладок) и диэлектрика (изолятора) между ними. Чем больше размер пластин и чем меньше зазор между ними, тем больше емкость конденсатора.
Вообще говоря, конденсатор накапливает на обкладках заряд (множество элементарных частиц, каждая из которых обладает элементарным зарядом). Чем больший заряд накоплен, тем большая запасена энергия. Ёмкость конденсатора зависит также и от вида диэлектрика.
Две пластины, разделенные тонким воздушным слоем (воздух — тоже диэлектрик), обладают очень небольшой емкостью, и в таком виде конденсаторы не используются.
С помощью специальных материалов и технологических ухищрений научились достаточно большую ёмкость втискивать в очень небольшой объём.
Самый характерный пример — электролитические конденсаторы.
В них две металлические обкладки в виде длинных полос (чаще всего из алюминиевой фольги) разделены слоем бумаги, пропитанной электролитом.
Электролит вызывает образование тонкой пленки оксида (окисла), которая является хорошим диэлектриком.
Поэтому электролитические конденсаторы называют ещё оксидными. Полосы сворачивают и помещают в цилиндрический алюминиевый корпус.
Раньше выводы конденсаторов делали из меди – как из материала с высокой электропроводностью. Теперь же их нередко делают из более дешевых сплавов на основе железа. В этом можно убедиться, если поднести к ним магнит. Фирмачи научились экономить!
В керамических конденсаторах диэлектриком служит пластинка из керамики, а обкладками – напыленные на керамику пленки металлических сплавов.
В каких единицах измеряется емкость конденсатора?
Основная единица для измерения ёмкости – Фарад (Ф, старое название – Фарада).
Но это очень большая величина, поэтому на практике используются её производные — пикофарад (пФ, пикофарада), нанофарад (нФ, нанофарада), микрофарад (мкФ, микрофарада).
Один микрофарад = 1 000 нанофарад = 1 000 000 пикофарад.
В компьютерных блоках питания и в материнских платах используются электролитические конденсаторы ёмкостью несколько сотен или тысяч микрофарад.
Там же применяется малогабаритные керамические конденсаторы ёмкостью несколько сотен или тысяч пикофарад.
Керамические конденсаторы используются чаще всего в виде SMD компонентов.
Как обозначаются конденсаторы в электрических схемах?
Конденсаторы в электрических схемах обозначается в виде двух вертикальных черточек, разделенных небольшим пространством. Графическое изображение напоминает те самые две пластины, разделенные воздушным диэлектриком.
У электролитических конденсаторов возле одной из черточек (обкладок) помещается знак «+».
Это потому, что электролитические конденсаторы обычно имеют полярность, которую надо соблюдать при монтаже.
Отметим, что в некоторых случаях применяются электролитические неполярные конденсаторы.
Рядом наносится значение ёмкости конденсатора.
А если конденсатор электролитический — то и величина его рабочего напряжения.
Записи вида 1000 p (1000 pF) и 3,9 n (3,9 nF) означают соответственно 1000 пикофарад и 3,9 нанофарад (или 3900 пикофарад).
Запись вида 1000uFx16V означает емкость 1000 микрофарад и рабочее напряжение 16 Вольт.
Напротив отрицательного электрода на корпусе конденсатора наносится соответствующая маркировка (знак «-»).
Где и как используются конденсаторы?
Перед тем как начать рассказывать об области применения конденсаторов, вспомним, что конденсатор это — две пластины, разделенные диэлектриком. Поэтому ток через конденсатор (в первом приближении) идти не может. Однако в цепи с конденсатором могут происходить процессы заряд и разряда. И во время этих процессов в цепи будут протекать токи заряда или разряда.
Таким образом, если переменное напряжение будет приложено к цепи с конденсатором, в ней будет протекать переменный ток. Поэтому конденсатор можно охарактеризовать такой величиной как емкостное сопротивление (обозначается в технической литературе как Хс).
Емкостное сопротивление зависит от ёмкости конденсатора и частоты приложенного напряжения. Чем ёмкость и частота больше, тем меньше емкостное сопротивление. На этих эффектах основано применение конденсаторов в схемах фильтрации источников питания.
В компьютерных блоках питания для получения постоянных напряжений +3,3, +5, и +12 В используется двухполупериодная схема выпрямление с двумя диодами и фильтрующим конденсатором. Без конденсатора на нагрузке будет пульсирующее напряжение одной полярности.
Источник постоянного напряжения можно представить в виде эквивалентной схемы из генератора и двух сопротивлений, где R1 — это внутреннее сопротивление выпрямителя, а R2 — емкостное сопротивление конденсатора.
Генератор – это сумма постоянного и переменного напряжений (пульсирующее напряжение содержит в себе постоянную и переменную составляющую).
Таким образом, сигнал с генератора подается на частотно-зависимый делитель напряжения. Выходной сигнал снимается с нижнего плеча (конденсатора).
Для постоянного напряжения сопротивление конденсатора очень велико, гораздо больше сопротивления выпрямителя. Поэтому уменьшения постоянного напряжения не происходит.
Для переменного напряжения сопротивления конденсатора очень мало, гораздо меньше сопротивления выпрямителя, поэтому происходит сильное ослабление переменной составляющей.
В реальной схеме ситуация несколько сложнее, так как к нижнему плечу делителя подключена нагрузка, обладающая сопротивлением. Поэтому полностью избавиться от пульсаций нельзя, можно только свести их к какому-то небольшому значению.
Вообще, такая комбинация активного сопротивления и конденсатора называется фильтром нижних частот, который пропускает постоянную составляющую и какой-то диапазон низких частот.
Чем выше частота входного переменного напряжения, тем сильнее оно ослабляется.
Так как необходимо сильное подавление пульсаций переменного напряжения, то используется электролитические конденсаторы большой емкости.
Назначение керамических SMD конденсаторов на материнской плате — подавлять высокочастотные помехи, возникающие при переключении транзисторов в микросхемах. Таким образом, электролитические конденсаторы фильтруют относительно низкочастотные помехи и пульсации, а керамические — более высокочастотные.
Приведем еще один пример разделения переменной и постоянной составляющей. Пусть в схеме на рисунке сигнал в точке А будет иметь постоянную составляющую 5 В и переменную амплитудой 2 В.
После конденсатора, в точке В будет уже только переменная составляющая той же амплитудой 2 В (если емкостное сопротивление конденсатора мало для такой частоты). Интересно, не правда ли?
По существу, это тоже частотно-зависимый делитель напряжения, где в виде нижнего плеча выступает сопротивление нагрузки. Такую комбинацию называют фильтром верхних частот, который не пропускает постоянную составляющие и низкие частоты, так как в емкостное сопротивление будет для них большим.
Заканчивая, отметим маленькую деталь: так как максимальное напряжение на конденсаторе будет равно сумме постоянной и переменной составляющей, его рабочее напряжение должно быть не менее этой величины.
Продолжение следует.
Электрический конденсатор
Конденсатор
Конденсатор — это элемент электрической цепи, способный, при небольшом размере, накапливать электрические заряды достаточно большой величины. Самой простой моделью конденсатора является два электрода, между которыми находится любой диэлектрик. Роль диэлектрика в нем выполняют бумага, воздух, слюда и другие изолирующие материалы, задача которых не допустить соприкосновения обкладок.
Свойства
• Емкость
где С, q, U — это соответственно емкость, заряд, напряжение между обкладками, S –площадь обкладок, d – расстояние между ними, — диэлектрическая проницаемость, — диэлектрическая постоянная, равная 8,854*10^-12 Ф/м.
.
• Полярность конденсатора;
• Номинальное напряжение;
• Удельная емкость и другие.
Величина емкости конденсатора зависит от
• Площадь пластин. Это понятно из формулы: емкость прямо пропорциональна заряду. Естественно, увеличив площадь обкладок, получаем большее количество заряда.
• Расстояния между обкладками. Чем они ближе расположены, тем больше напряженность получаемого электрического поля.
Устройство конденсатора
Наиболее распространенные конденсаторы — это плоские и цилиндрические. Плоские состоят из пластин, удаленных друг от
друга на небольшое расстояние. Цилиндрические, собираются при помощи цилиндров равной длины и разного диаметра. Все конденсаторы, в принципе, устроены одинаково. Разница, в основном, в том, какой материал используется в качестве диэлектрика. По типу диэлектрической среды и классифицируют конденсаторы, которые бывают жидкими, вакуумными, твердыми, воздушными.
Как заряжается и разряжается конденсатор?
При подключении к источнику постоянного тока, обкладки конденсатора заряжаются, одна приобретает положительный потенциал, а другая отрицательный. Между обкладками противоположные по знаку, но равные по значению, электрические заряды создают электрическое поле. Когда напряжения станут одинаковыми и на обкладках, и на источнике подаваемого тока, движение электронов прекратится и зарядка конденсатора закончится. Определенный промежуток времени конденсатор сохраняет заряды и выполняет функции автономного источника электроэнергии. В таком состоянии он может находиться достаточно долгое время. Если вместо источника, включить в цепь резистор, то конденсатор разрядится на него.
Процессы, происходящие в конденсаторе
При подключении прибора к переменному или постоянному току в нем будут происходить разные процессы. Постоянный ток не пойдет по цепи с конденсатором. Так как между его обкладками находится диэлектрик, цепь фактически разомкнута.
Переменный ток, за счет того что периодически меняет направление, может проходить через конденсатор. При этом происходит периодический разряд и заряд конденсатора. На протяжении первой четверти периода заряд идет до максимума, в нем запасается электроэнергия, в следующую четверть конденсатор разряжается и электрическая энергия возвращается обратно в сеть. В цепи переменного тока, конденсатор обладает кроме активного сопротивления, еще и реактивной составляющей. Кроме того, в конденсаторе, ток опережает напряжение на 90 градусов, это важно учитывать, при построении векторных диаграмм.
Применение
Конденсаторы используются в радиотехнике, электронике, автоматике. Конденсатор –незаменимый элемент, который применяется во многих отраслях электротехники, на предприятиях, в научных разработках. Как пример, при необходимости, выступает в качестве разделителя токов: переменного и постоянного, применяется в конденсаторных установках, если необходимо компенсировать реактивную мощность, применяется как накопитель электричества в электросетях.
Советуем прочесть — Последовательное и параллельное соединение конденсаторов
Физика — Конденсаторы — Бирмингемский университет
Батарея накапливает электрическую энергию и высвобождает ее в результате химических реакций, это означает, что ее можно быстро заряжать, но разряжать медленно. В отличие от батареи, конденсатор представляет собой компонент схемы, который временно накапливает электрическую энергию за счет распределения заряженных частиц на (обычно двух) пластинах для создания разности потенциалов. Для зарядки конденсатора может потребоваться меньше времени, чем для зарядки аккумулятора, и он может очень быстро высвобождать всю энергию.
Введение | Видео | В фокусе | Заключение | Следующие шаги |
Сколько мы можем взимать?
При подключении к ячейке или другому источнику питания электроны будут течь с отрицательного конца клеммы и накапливаться на одной пластине конденсатора.
Другая пластина будет иметь чистый положительный заряд, поскольку электроны теряются в батарее, что приводит к разности потенциалов, эквивалентной напряжению элемента.
Конденсатор характеризуется своей емкостью ( C ), обычно выражаемой в единицах фарад . Это отношение заряда ( Ом ) к разности потенциалов ( В ), где Кл = Ом/В
Чем больше емкость, тем больший заряд может удерживать конденсатор. Используя показанную установку, мы можем измерить напряжение, когда конденсатор заряжается через резистор, как функцию времени (t).
Как проверить поведение конденсатора?
Как проверить поведение конденсатора?
Как найти постоянную времени?
Здесь вы можете увидеть график зависимости напряжения от времени при зарядке и разрядке конденсатора.
Уравнения кривых V-t для зарядки и разрядки конденсатора являются экспоненциальными, где напряжение пропорционально начальному напряжению в степени времени над емкостью.
Таким образом, с небольшими математическими манипуляциями мы можем построить логарифмический график зависимости напряжения от времени разряжающегося конденсатора, чтобы легко получить постоянную времени ( τ = RC ) из градиента (-1/ RC ) и начальное напряжение из точки пересечения y.
Очень важно, чтобы используемый конденсатор имел большее номинальное напряжение, чем у элемента, и чтобы он был подключен с соблюдением полярности (отрицательная пластина должна быть подключена к отрицательному выводу элемента), иначе он может взорваться. Отрицательный конец обычно обозначается тире на корпусе конденсатора и обычно представляет собой более короткий контакт. Обратите внимание, однако, что не все конденсаторы поляризованы (обычно меньшие 9 конденсаторов).0047 мкФ единиц) и могут быть подключены любым способом. Еще одна важная вещь, о которой нужно позаботиться, это измерение напряжения через установленные промежутки времени. Одним из вариантов может быть использование осциллографа или использование конденсатора/резистора большего размера для увеличения времени зарядки/разрядки.
Что означают ваши измерения?
Конденсаторы являются обычным компонентом большинства электронных устройств и наиболее важны для хранения энергии. Поэтому разработка конденсаторов важна для технического прогресса аккумуляторов. Хотя текущее хранение энергии в значительной степени зависит от батарей, это может измениться в будущем, поскольку они медленно заряжаются и разряжаются, а вовлеченные химические процессы обычно вызывают потерю энергии за счет тепла. Хотя конденсаторы должны быть намного больше, чем батареи, чтобы хранить такое же количество заряда, они имеют значительные преимущества, включая гораздо более длительный срок службы и нетоксичные компоненты. Попытка заменить батареи этими суперконденсаторами и ультраконденсаторами является постоянной областью исследований.
Ранее мы говорили, что конденсаторы, в отличие от аккумуляторов, способны очень быстро разряжаться. По этой причине они находят широкое применение в нашей повседневной жизни и присутствуют почти во всех бытовых электронных устройствах.
Они особенно полезны в устройствах, где требуется быстрый отклик, таких как лазеры и фотовспышки.
В эксперименте на видео выше мы продемонстрировали использование осциллографа для измерения постоянной времени конденсатора и узнали о важности полярности. Если у вас есть время, было бы интересно добавить в схему дополнительные компоненты. Добавив амперметр, мы можем измерить заряд и, следовательно, проделанную работу.
Если последовательно добавить конденсаторы, общая емкость составит 1/C = 1/C1+1/C2+1/C3+…+1/CN Где CN — емкость N-го конденсатора. . Добавление большего количества конденсаторов параллельно дает общую емкость
Следующие шаги
Эти ссылки предоставляются для удобства и только в информационных целях; они не являются подтверждением или одобрением Бирмингемским университетом какой-либо информации, содержащейся на внешнем веб-сайте. Университет Бирмингема не несет ответственности за точность, законность или содержание внешнего сайта или последующих ссылок.
Пожалуйста, свяжитесь с внешним сайтом для получения ответов на вопросы, касающиеся его содержания.
Объяснение конденсаторов — инженерное мышление
Объяснение конденсаторов. Узнайте, как работают конденсаторы, где мы их используем и почему они важны.
Прокрутите вниз, чтобы посмотреть обучающее видео на YouTube.
Помните, что электричество опасно и может привести к летальному исходу. Вы должны иметь квалификацию и компетентность для выполнения электромонтажных работ. Не прикасайтесь к клеммам конденсатора, так как это может привести к поражению электрическим током.
Что такое конденсатор?
Конденсатор и батарея Конденсатор накапливает электрический заряд. Это немного похоже на батарею, но хранит энергию по-другому. Он не может хранить столько энергии, хотя может заряжаться и высвобождать свою энергию намного быстрее. Это очень полезно, и именно поэтому вы найдете конденсаторы, используемые почти на каждой печатной плате.
Как работает конденсатор?
Я хочу, чтобы вы сначала подумали о водопроводной трубе, по которой течет вода. Вода будет течь до тех пор, пока мы не закроем вентиль. Тогда вода не может течь.
Если после вентиля пустить воду в бак, то в баке останется часть воды, но мы продолжаем получать воду, вытекающую из трубы. Когда мы закроем клапан, вода перестанет поступать в бак, но мы все равно будем получать стабильную подачу воды, пока бак не опустеет. Как только бак снова наполняется, мы можем открывать и закрывать клапан, и пока мы не полностью опорожняем бак, мы получаем непрерывную подачу воды из конца трубы. Таким образом, мы можем использовать резервуар для воды для хранения воды и сглаживания перебоев в подаче.
В электрических цепях конденсатор действует как резервуар для воды и накапливает энергию. Он может освободить это, чтобы сгладить перебои в поставке.
Если мы очень быстро выключим простую схему без конденсатора, то лампочка начнет мигать.
Но если мы подключим конденсатор в цепь, то свет будет гореть во время перерывов, по крайней мере, на короткое время, потому что теперь конденсатор разряжается и питает цепь.
Внутри основного конденсатора у нас есть две проводящие металлические пластины, которые обычно сделаны из алюминия или алюминия, как его называют американцы. Они будут разделены диэлектрическим изоляционным материалом, таким как керамика. Диэлектрик означает, что материал будет поляризоваться при контакте с электрическим полем. Вскоре мы увидим, что это значит.
Внутри конденсатораОдна сторона конденсатора подключена к положительной стороне цепи, а другая сторона подключена к отрицательной. На стороне конденсатора вы можете увидеть полосу и символ, указывающий, какая сторона в минусе, кроме того, минусовая ножка будет короче.
Если мы подключим конденсатор к батарее. Напряжение будет толкать электроны от отрицательной клеммы к конденсатору. Электроны будут накапливаться на одной пластине конденсатора, в то время как другая пластина, в свою очередь, высвободит некоторое количество электронов.
Однако электроны не могут пройти через конденсатор из-за изоляционного материала. В конце концов, конденсатор имеет то же напряжение, что и батарея, и электроны больше не будут течь.
Теперь с одной стороны скопились электроны, это означает, что мы накопили энергию и можем высвобождать ее, когда это необходимо. Поскольку на одной стороне больше электронов, чем на другой, и электроны заряжены отрицательно, это означает, что у нас есть одна сторона, которая является отрицательной, и одна сторона, которая положительна, поэтому между ними существует разница потенциалов или разность напряжений. Мы можем измерить это с помощью мультиметра.
Что такое напряжение? Напряжение похоже на давление, когда мы измеряем напряжение, мы измеряем разницу или разность потенциалов между двумя точками. Если представить водопроводную трубу под давлением, мы можем увидеть давление с помощью манометра. Манометр также сравнивает две разные точки: давление внутри трубы с атмосферным давлением снаружи трубы.
Когда бак пуст, манометр показывает ноль, потому что давление внутри бака равно давлению снаружи бака, поэтому манометру не с чем сравнивать. Оба имеют одинаковое давление. То же самое с напряжением, мы сравниваем разницу между двумя точками. Если мы измерим батарею на 1,5 В, то получим разницу в 1,5 В между каждым концом, но если мы измерим тот же конец, то получим ноль, потому что разницы нет, это то же самое.
Хотите научиться основам электричества? НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ
Возвращаясь к конденсатору, мы измеряем и считываем разницу напряжений между ними из-за накопления электронов. Мы по-прежнему получаем это показание, даже когда мы отключаем аккумулятор.
Если вы помните, с магнитами противоположности притягиваются и притягиваются друг к другу. То же самое происходит с накоплением отрицательно заряженных электронов, они притягиваются к положительно заряженным частицам атомов на противоположной пластине, но никогда не могут достичь их из-за изолирующего материала.
Это притяжение между двумя сторонами представляет собой электрическое поле, которое удерживает электроны на месте до тех пор, пока не будет проложен другой путь.
Если мы затем поместим в цепь маленькую лампу, появится путь для движения электронов и достижения противоположной стороны. Таким образом, электроны будут течь через лампу, питая ее, и достигнут другой стороны конденсатора. Однако это продлится недолго, пока количество электронов не выровняется с каждой стороны. Тогда напряжение равно нулю, поэтому толкающая сила отсутствует, и электроны не текут.
Как только мы снова подключим батарею, конденсатор начнет заряжаться. Это позволяет нам прерывать подачу питания, и конденсатор будет обеспечивать питание во время этих перерывов.
Примеры
Мы везде используем конденсаторы. Они немного отличаются, но их легко заметить. На печатных платах они обычно выглядят примерно так, и мы можем видеть их на инженерных чертежах вот так.
Мы также можем получить более крупные конденсаторы, которые используются, например, в асинхронных двигателях, потолочных вентиляторах или кондиционерах, и мы можем даже получить такие огромные конденсаторы, которые используются для коррекции низкого коэффициента мощности в больших зданиях.
На стороне конденсатора мы найдем два значения. Это будут емкость и напряжение. Мы измеряем емкость конденсатора в фарадах, которые мы обозначаем заглавной буквой F, хотя обычно мы измеряем конденсатор в микрофарадах, поэтому непосредственно перед ним у нас есть микросимвол, который выглядит как буква U с хвостиком.
Пример емкостиДругое значение — это наше напряжение, которое мы измеряем в вольтах с большой буквы V, на конденсаторе значение напряжения — это максимальное напряжение, которое может выдержать конденсатор.
Этот конденсатор рассчитан на определенное напряжение, и если я превысю это значение, он взорвется.
Пример напряжения конденсатора Большинство конденсаторов имеют положительную и отрицательную клеммы.
Нам нужно убедиться, что конденсатор правильно подключен к цепи.
Почему мы их используем
Одним из наиболее распространенных применений конденсаторов в больших зданиях является коррекция коэффициента мощности. Когда в цепь помещается слишком много индуктивных нагрузок, формы сигналов тока и напряжения будут рассинхронизированы друг с другом, и ток будет отставать от напряжения. Затем мы используем конденсаторные батареи, чтобы противодействовать этому и привести их в соответствие.
Другим распространенным применением является сглаживание пиков при преобразовании переменного тока в постоянный.
Когда мы используем полный мостовой выпрямитель, синусоида переменного тока переворачивается, чтобы заставить отрицательный цикл течь в положительном направлении, это заставит схему думать, что она получает постоянный ток.
через GIPHY
Но одной из проблем этого метода являются промежутки между пиками.
Таким образом, мы используем конденсатор для высвобождения энергии в цепь во время этих прерываний, и это сглаживает источник питания, чтобы он больше походил на постоянный ток.
Мы можем измерить емкость и накопленное напряжение с помощью мультиметра. Не все мультиметры имеют функцию измерения емкости.
С конденсаторами следует быть очень осторожными, так как они накапливают энергию и могут сохранять высокое напряжение в течение длительного времени, даже будучи отключенными от цепи. Чтобы проверить напряжение, мы переключаемся на постоянное напряжение на нашем измерителе, а затем подключаем красный провод к положительной стороне конденсатора, а черный провод к отрицательной стороне. Если мы получим показание в несколько вольт или более, мы должны разрядить его, безопасно подключив клеммы к резистору, и продолжить считывание напряжения. Мы хотим убедиться, что оно уменьшилось до диапазона милливольт, прежде чем обращаться с ним, иначе мы можем получить удар током.
Чтобы измерить емкость, мы просто переключаем измеритель на функцию конденсатора.