Конденсатор электротехника: назначение, характеристики, виды. Примеры использования

Конденсатор это

Конденсатор — это устройство с постоянным или переменным значением емкости и малой проводимостью, предназначенное для накопления заряда и энергии электрического поля (от латинского condensare, что значит уплотнять или сгущать; condensatio — накопление). Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Его емкость измеряется в фарадах.

Рассмотрим принцип работы конденсатора, узнаем какие процессы внутри него происходят и зачем нужен данный компонент.

Как работает конденсатор — устройство и принцип взаимодействия

Вначале разберемся, что такое конденсатор. Для этого рассмотрим, как данная радиодеталь изображается на схемах:

Обозначение конденсаторов

Как видно по маркировке конденсатора — это две металлические пластины, расположенные рядом с небольшим зазором. Как правило, между ними прокладывается слой диэлектрика. Также бывают конденсаторы просто с воздушным зазором.

У незнающего человека может возникнуть вопрос, какую роль играют рядом расположенные металлические пластины? Разберемся в данном вопросе:

Дело в том, что если подать на эти пластины напряжение, то они накопят электрический заряд и будут некоторое время его держать.

Как конденсаторы накапливают и держат заряд:

Например мы возьмем элемент питания, между контактами которого есть напряжение. Электрическое напряжение можно представить как стремление заряженных частиц перескочить от одного контакта к другому для устранения разности потенциалов. Подключая к источнику питания конденсатор, заряженные частицы устремляются друг к другу через него. Расстояние между платинами конденсатора невелико, но все же они разделены диэлектриком, что не позволяет частицам перескочить друг к другу. Но между ними возникает электрическое поле, которое подобно магнитному удерживает в притянутом друг к другу состоянии отрицательно заряженные частицы на одной пластине, а положительно заряженные — на другой. Соответственно происходит накопление в конденсаторе заряда.

Логично предположить, что чем больше пластин и чем они ближе друг к другу, тем больше заряженных частиц можно удержать на их плоскостях.

Как уже упоминалось, заряженные частицы устремляются друг к другу и заполняют всю площадь пластин. Движение заряжает их — это и есть электрический ток. Получается, что в момент зарядки конденсатора элемент питания отдает свой заряд. Но в отличие от аккумуляторов сила тока накопления и отдачи заряда конденсаторов ограничивается сопротивлением проводников и некоторыми нюансами, зависящими от типов компонентов.

Емкость конденсаторов

Свойство конденсатора накапливать электрический заряд характеризуется физической величиной — электроемкостью.

Электроемкость обозначается буквой C и определяется по формуле: C=q ⁄ U, где q — заряд конденсатора, U — напряжение между обкладками конденсатора. Электроемкость конденсатора зависит от площади перекрытия пластин и расстояния между ними, а также от свойств используемого диэлектрика: C ∼ S ⁄ d, где S — площадь каждой обкладки, d — расстояние между обкладками.

За единицу электроемкости в СИ принимается Фарад (Ф).

1 Фарад равен емкости конденсатора, при которой заряд 1 Кулон создает между его обкладками напряжение 1 Вольт: 1 Фарад = 1 Кулон ⁄ 1 Вольт.

1 Ф — это большая емкость для конденсатора. Чаще всего конденсаторы имеют электроемкость, равную дольным единицам Ф: микрофарад (мкФ) — это 10 в минус 6 степени Ф, пикофарад (пФ) — это 10 в минус 12 степени Ф.

Для получения требуемой емкости конденсаторы соединяют в батареи:

	Если конденсаторы соединены параллельно, то общая емкость равна сумме емкостей: Cоб = C1 + C2 + C3.
	Если конденсаторы соединены последовательно, то общая емкость будет равна: 1 ⁄ Cоб = 1 ⁄ C1 + 1 ⁄ C2 + 1 ⁄ C3.

Виды конденсаторов в зависимости от конструкции

Прежде чем переходить к классификации, нужно отметить, что пластины конденсаторов правильнее называть обкладками. Это обусловлено тем, что не всегда используются именно пластины.

Электролитические конденсаторы (оксидные)

Электролитические конденсаторы (оксидные) — это разновидность конденсаторов, в которых диэлектриком между обкладками является пленка оксида металла, где анод выполнен из металла, а катод представляет собой твердый, жидкий или гелевый электролит.

В алюминиевых электролитических конденсаторах используется алюминиевая фольга, свернутая для экономии пространства в рулон, а в качестве второй обкладки используется жидкий электролит. Такие конденсаторы имеют достаточно большую емкость, так как электролит ввиду своего агрегатного состояния очень плотно прилегает к первой обкладке. А разделяет эти слои тончайший диэлектрик в виде оксидной пленки на алюминиевой фольге.

Электролитические (оксидные) конденсаторы имеют полярность («+», «-»), и ее нужно соблюдать при подключении. При смене полярности из-за химических процессов слой оксидной пленки разрушается, но электролит подобран таким образом, что при повторном подключении уже с правильной полярностью разрушенные участки оксидной пленки восстанавливаются.

Восстановительный процесс называется анодированием. При этом выделяется газ, и конденсатор может вздуться. На электролитических конденсаторах сверху делаются насечки, чтобы при сильном вздутии он не взорвался, а просто раскрылся в этом ослабленном месте.

Из недостатков электролитических (оксидных) конденсаторов можно также выделить, что из-за свернутой в рулон обкладки она имеет паразитную индуктивность. Из-за такой индуктивности на высокой частоте конденсатор может вести себя как дроссель. Такие конденсаторы ввиду неидеальности электролита как проводника также имеют паразитное сопротивление. Данное сопротивление со временем увеличивается из-за высыхания электролита.

К электролитическим конденсаторам относятся и следующие типы:

• В танталовых конденсаторах в роли анода (обкладки, к которой подключается плюсовой контакт) используется танталовая губка, которая находится в среде электролита (катода). Обкладки разделяет оксидная пленка на металле.
  Танталовые конденсаторы не подвержены паразитной индуктивности и используются в высокочастотных цепях.
• В ниобиевых электролитических конденсаторах пассивированный металлический ниобий или монооксид ниобия рассматривается в качестве анода, а на анод добавляется изолирующий слой пятиокиси ниобия, так что он действует как диэлектрик. Твердый электролит укладывается на поверхность оксидного слоя, который действует как катод. Основным преимуществом ниобиевых конденсаторов является способность выдерживать высокие температуры во время пайки и довольно большая удельная емкость. Данные компоненты легко встраиваются в печатную плату и требуют соблюдения идеальной полярности. Любое обратное напряжение или ток пульсации, превышающий указанный разрушит диэлектрик и сам конденсатор.

Керамические конденсаторы

Керамический конденсатор — это накапливающий электронный компонент, у которого диэлектриком служит керамика на основе титанатов циркония (ZrTiO3), кальция (CaTiO3), никеля (NiTiO3) и бария (BaTiO3) (в особых случаях применяют конденсаторную керамику на базе Al2O3, SiO2, MgO).

Керамические конденсаторы дополнительно можно разделить на два подвида: 

• Дисковые керамические конденсаторы состоят из двух обкладок, которые разделены между собой керамическим диэлектриком.
• В многослойных элементах обкладки представлены в виде пачек из металлических пластин, которые входят друг в друга, и которые все так же разделены керамическим диэлектриком.

В отличие от электролитических конденсаторов, керамические имеют меньшую емкость. При этом они более надежны и не имеют паразитной индуктивности, так как обкладки не свернуты в рулон. А благодаря современным технологическим процессам в какой-то степени нивелируется недостаток с малой емкостью (конденсаторы могут иметь емкость десятки микрофарад).

Основной недостаток данного типа конденсаторов кроется в самой керамике. Такой диэлектрик очень сильно подвержен термическому воздействию. От перепадов температуры меняется емкость конденсатора. Также в зависимости от приложенного напряжения емкость может колеблется.

Существуют более качественные керамические диэлектрики — керамика первого класса. С такими изоляторами описанные выше проблемы исчезают. Но ухудшается показатель емкости к объему, и увеличивается цена компонента.

Пленочные конденсаторы

Для того, чтобы избежать недостатков керамических конденсаторов, применяют другой тип — пленочные, которые используют в качестве диэлектрика между обкладок пленку из разных материалов (полистирол, полипропилен, тефлон).

Пленочные конденсаторы можно считать почти идеальными. Они очень стабильно держат емкость, не имеют индуктивности, умеют самостоятельно восстанавливаться после пробоя. Но, к сожалению, их соотношение емкости к объему одно из самых худших. Их используют в ответственных и важных местах схем, где нужно пожертвовать пространством на плате в угоду надежности и стабильности.

Применение конденсаторов в электротехнике

В данном пункте разберемся с типами конденсаторов, но уже не по конструкции, а по применению.

Начнем изучение с пусковых конденсаторов. Как известно у электродвигателей пусковой ток гораздо выше, чем номинальный рабочий ток. И так как конденсатор может отдать ток очень большой величины, то параллельно лини питания подключается элемент большей емкости. Если таким же образом установить конденсатор после трансформатора и диодного моста, то его уже можно будет называть сглаживающим. Дело в том, что скорость зарядки конденсатора велика, и он будет заряжаться пиками, полученными от выпрямленного переменного напряжения.

Пусковой и сглаживающий конденсатор

Может возникнуть вопрос, почему после выпрямления переменного тока напряжение поднимается? Переменное напряжение обычно считается как среднеквадратичное, но в вершине своей амплитуды оно имеет гораздо выше значение, и конденсатор заряжается этими пиками и стремится держать это максимальное напряжение.

В импульсных блоках питания для сглаживания применяются одновременно разные типы конденсаторов (обычно оксидные и керамические), подключенных параллельно. Электролитические элементы ввиду своей большой емкости хорошо сглаживают низкочастотные пульсации большой амплитуды. А керамические конденсаторы хороши тем, что имеют минимальное внутреннее сопротивление и хорошо сглаживают высокочастотные пульсации.

Чтобы перейти к следующим сценариям применения, нужно принять тот факт, что конденсатор проводит переменный ток. Разберемся подробнее. В тот момент, пока конденсатор заряжается, по цепи передвигаются заряженные частицы (что и является течением тока). При постоянном токе движение частиц в цепи происходит только в то время, пока конденсатор заряжается. При переменном же токе полярность постоянно меняется и конденсатор будет постоянно заряжаться, и из-за этого будет поддерживаться течение тока. Уменьшая емкость конденсатора можно ограничивать мощность, подаваемую к нагрузке. При одинаковой емкости, но увеличивая частоту переменного тока и соответственно процесса зарядки, можно пропустить через конденсатор ток большей величины. Использующие такой принцип работы конденсаторы называются гасящими или балластными.

Разделительные конденсаторы (межкаскадные) как правило используют на звуковом усилении. Для того, чтобы транзистор усиливал сигнал, нужно переменный звуковой сигнал сместить полностью в постоянную сторону (перемещение переменного синуса в одну из полярностей). По сути получается постоянный, но пульсирующий ток. Транзистор полученный результат усиливает, и остается подать сигнал на динамик. Но это невозможно, так как ток имеет постоянную составляющую. Если после усиливающего каскада поставить конденсатор, то он вычтет из сигнала всю постоянную составляющую. В итоге получится чистый синусоидальный сигнал. Если уменьшить емкость используемого конденсатора, то можно обрезать низкие частоты. Данные частоты имеют большую ширину волны и не впишутся в меньшую емкость компонента.

В заключение стоит отметить, что конденсаторы применяются в паре с другими радиокомпонентами. Такие связки используются для создания всевозможных колебательных контуров, частотных фильтров и цепей обратной связи.

Конденсаторы для электроустановок переменного тока

В статье «Конденсаторы: назначение, устройство, принцип действия» было рассказано об электролитических конденсаторах. В основном они применяются в цепях постоянного тока, в качестве фильтрующих емкостей в выпрямителях. Также без них не обойтись в развязывающих цепочках питания транзисторных каскадов, стабилизаторах и транзисторных фильтрах. При этом, как было сказано в статье, постоянного тока они не пропускают, а на переменном работать вовсе не хотят.

Для цепей переменного тока существуют неполярные конденсаторы, причем, множество их типов говорит о том, что условия работы очень разнообразные. В тех случаях, когда требуется высокая стабильность параметров, а частота достаточно высокая, применяются конденсаторы воздушные и керамические.

К параметрам таких конденсаторов предъявляются повышенные требования. В первую очередь это высокая точность (маленький допуск), а также незначительный температурный коэффициент емкости ТКЕ.

Как правило, такие конденсаторы ставятся в колебательных контурах приемной и передающей радиоаппаратуры.

Если же частота невелика, например, частота осветительной сети или частоты звукового диапазона, то вполне возможно применение бумажных и металлобумажных конденсаторов.

Конденсаторы с бумажным диэлектриком имеют обкладки из тонкой металлической фольги, чаще всего алюминиевой. Толщина обкладок колеблется в пределах 5…10мкм, что зависит от конструкции конденсатора. Между обкладками вложен диэлектрик из конденсаторной бумаги, пропитанной изоляционным составом.

В целях повышения рабочего напряжения конденсатора бумага может быть положена в несколько слоев. Весь этот пакет скручивается, как ковровая дорожка, и помещается в корпус круглого или прямоугольного сечения. При этом, конечно, от обкладок делаются выводы, а корпус такого конденсатора ни с чем не соединен.

Бумажные конденсаторы используются в низкочастотных цепях при больших рабочих напряжениях и значительных токах.

Одно из таких очень распространенных применений — включение трехфазного двигателя в однофазную сеть.

В металлобумажных конденсаторах роль обкладок выполняет распыленный в вакууме на конденсаторную бумагу тончайший слой металла, все того же алюминия. Конструкция конденсаторов такая же, как и бумажных, правда, габариты намного меньше. Область применения обоих типов примерно одинакова: цепи постоянного, пульсирующего и переменного тока.

Конструкция бумажных и металлобумажных конденсаторов, кроме емкости, обеспечивает этим конденсаторам еще и значительную индуктивность. Это приводит к тому, что на какой-то частоте бумажный конденсатор превращается в резонансный колебательный контур. Поэтому такие конденсаторы применяются лишь на частотах не более 1МГц. На рисунке 1 показаны бумажные и металлобумажные конденсаторы, выпускавшиеся в СССР.

Рисунок 1. Бумажные и металлобумажные конденсаторы для цепей переменного тока

Старинные металлобумажные конденсаторы имели свойство самовосстановления после пробоя. Это были конденсаторы типов МБГ и МБГЧ, но теперь их заменили конденсаторы с керамическим или органическим диэлектриком типов К10 или К73.

В некоторых случаях, например, в аналоговых запоминающих устройствах, или по другому, устройствах выборки-хранения (УВХ) к конденсаторам предъявляются особые требования, в частности, малый ток утечки. Тогда на помощь приходят конденсаторы, диэлектрики которых выполнены из материалов с высоким сопротивлением. В первую очередь это фторопластовые, полистирольные и полипропиленовые конденсаторы. Несколько меньшее сопротивление изоляции у слюдяных, керамических и поликарбонатных конденсаторов.

Эти же конденсаторы используются в импульсных схемах, когда требуется высокая стабильность. В первую очередь для формирования различных временных задержек, импульсов определенной длительности, а также для задания рабочих частот различных генераторов.

Чтобы временные параметры схемы были еще более стабильны, в некоторых случаях рекомендуется использовать конденсаторы с повышенным рабочим напряжением: ничего плохого нет в том, чтобы в схему с напряжением 12В установить конденсатор с рабочим напряжением 400 или даже 630В. Места такой конденсатор займет, конечно, побольше, но и стабильность работы всей схемы в целом тоже увеличится.

Электрическая емкость конденсаторов измеряется в Фарадах Ф (F), но это величина очень большая. Достаточно сказать, что емкость Земного шара не превышает 1Ф. Во всяком случае, именно так написано в учебниках физики. 1 Фарада это емкость, при которой при заряде q в 1 кулон разность потенциалов (напряжение) на обкладках конденсатора составляет 1В.

Из только что сказанного следует, что Фарада величина очень большая, поэтому на практике чаще используются более мелкие единицы: микрофарады (мкФ, µF), нанофарады (нФ, nF) и пикофарады (пФ, pF). Эти величины получаются с помощью использования дольных и кратных приставок, которые показаны в таблице на рисунке 2.

Рисунок 2.

Современные детали становятся все меньше, поэтому не всегда удается на них нанести полную маркировку, все чаще пользуются различными системами условных обозначений. Все эти системы в виде таблиц и пояснений к ним можно найти в интернете. На конденсаторах, предназначенных для SMD монтажа, чаще всего не ставится вообще никаких обозначений. Их параметры можно прочитать на упаковке.

Для того, чтобы выяснить, как ведут себя конденсаторы в цепях переменного тока, предлагается проделать несколько простейших опытов. При этом, каких-то особых требований к конденсаторам не предъявляется. Вполне подойдут самые обычные бумажные или металлобумажные конденсаторы.

Конденсаторы проводят переменный ток

Чтобы убедиться в этом воочию, достаточно собрать несложную схему, показанную на рисунке 3.

Рисунок 3.

Сначала надо включить лампу через конденсаторы C1 и C2, соединенные параллельно. Лампа будет светиться, но не очень ярко. Если теперь добавить еще конденсатор C3, то свечение лампы заметно увеличится, что говорит о том, что конденсаторы оказывают сопротивлению прохождению переменного тока. Причем, параллельное соединение, т.е. увеличение емкости, это сопротивление снижает.

Отсюда вывод: чем больше емкость, тем меньше сопротивление конденсатора прохождению переменного тока. Это сопротивление называется емкостным и в формулах обозначается как Xc. Еще Xc зависит от частоты тока, чем она выше, тем меньше Xc. Об этом будет сказано несколько позже.

Другой опыт можно проделать используя счетчик электроэнергии, предварительно отключив все потребители. Для этого надо соединить параллельно три конденсатора по 1мкФ и просто включить их в розетку. Конечно, при этом надо быть предельно осторожным, или даже припаять к конденсаторам стандартную штепсельную вилку. Рабочее напряжение конденсаторов должно быть не менее 400В.

После этого подключения достаточно просто понаблюдать за счетчиком, чтобы убедиться, что он стоит на месте, хотя по расчетам такой конденсатор эквивалентен по сопротивлению лампе накаливания мощностью около 50Вт. Спрашивается, почему не крутит счетчик? Об этом тоже будет рассказано в следующей статье.

Борис Аладышкин

Источник: http://electrik.info

Теория конденсаторов

К Стивен Макфадьен on 12 июня 2013 г.

Конденсаторы широко используются в электротехнике для таких функций, как накопление энергии, коррекция коэффициента мощности, компенсация напряжения и многие другие. Емкость также присуща любой системе распределения электроэнергии и может играть ключевую роль в ее работе.

Чтобы полностью понять конденсаторы и их использование, необходимо, чтобы практикующие электрики хорошо понимали теорию конденсаторов.

Емкость

Используемые символы

C — конденсатор в фарадах (Ф)
R — резистор в омах (Ом)
В — округ Колумбия напряжение источника в вольтах (В)
v _c — напряжение конденсатора в вольтах (В)
I — пиковый ток заряда или разряда в амперах (A)
i — мгновенный ток в амперах (A)
Вопрос — электрический заряд (Кл)
E — напряженность электрического поля (В/м)
D — плотность электрического потока (Кл/м2)
ε _o — диэлектрическая проницаемость свободного пространства (ф/м) — постоянная: 8,854 187 817. .. x 10−12
ε _r — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика

Конденсаторы состоят из проводящих поверхностей, разделенных диэлектриком (изолятором). Эффект этого заключается в том, что при подаче напряжения заряд поступает в конденсатор и сохраняется. Когда к конденсатору подключена внешняя цепь, накопленный заряд будет перетекать из конденсатора в цепь.

Емкость — это мера количества заряда, который может храниться внутри конденсатора. Единицей емкости в системе СИ является фарад ( F ). Фарада представляет собой отношение электрического заряда, хранящегося в конденсаторе, к приложенному напряжению:

Величина емкости зависит от используемых материалов и геометрии конденсатора.

Формально емкость находится из решения уравнения Лапласа ∇2φ = 0, где φ – постоянный потенциал на поверхности проводника. Более простые геометрии также могут быть решены с использованием других методов (в примере показан пример для конденсатора с плоскими пластинами).

Пример — емкость с параллельными пластинами

Конденсатор с параллельными пластинами
(щелкните, чтобы увеличить изображение)  

Показан конденсатор, в качестве диэлектрика предполагается вакуум. Электростатическая теория предполагает, что отношение плотности электрического потока к напряженности электрического поля представляет собой диэлектрическую проницаемость свободного пространства:

С емкостью, определенной как:

Приведенные выше уравнения можно объединить и решить, чтобы получить емкость конденсатора с плоскими пластинами (со свободным воздушным диэлектриком) как:

фарад

900 02 Более настоящие диэлектрики емкость будет увеличиваться прямо пропорционально относительной диэлектрической проницаемости и определяется как:

фарад

Зарядка и разрядка конденсаторов

Зарядка (и разрядка) конденсаторов происходит по экспоненциальному закону. Рассмотрим схему, на которой изображен конденсатор, подключенный к источнику постоянного тока. источник через коммутатор. Резистор представляет собой сопротивление утечки конденсатора, сопротивление внешних выводов и соединений, а также любое преднамеренно введенное сопротивление.

Напряжение зарядки конденсатора

Напряжение зарядки конденсатора

Когда ключ замкнут, начальное напряжение на конденсаторе (C) равно нулю, а ток (i) определяется по формуле:

   
— из фундаментальной теории конденсаторов

Напряжение на резисторе представляет собой ток, умноженный на его значение, что дает: напряжение источника (В) равно сумме напряжений конденсатора (v _c ) и напряжение на резисторе:

 

Что при перестановке дает:

    и  

Интегрируя обе стороны, получаем: 900 08

по адресу  ,   

по адресу перестановка

, которая переходит в

и

. Напряжение на конденсаторе увеличится от нуля до напряжения постоянного тока. источник как экспоненциальная функция.

Ток зарядки конденсатора

Зарядка конденсатора и
разрядка

Из приведенного выше:

Дает:

9 0065

Пусть начальный ток (I) равен напряжению источника постоянного тока, деленному на сопротивление:

         отдача      

Постоянная времени

Произведение сопротивления и емкости (RC) измеряется в секундах и называется постоянной времени цепи (обозначается греческой буквой тау, τ).

Используя это, уравнения напряжения и зарядного тока на конденсаторе записываются как:

или разряд) конденсатора.

Разрядка конденсатора

При разрядке ток ведет себя так же, как и при зарядке, но в противоположном направлении. Напряжение на конденсаторе экспоненциально спадает до нуля. Уравнения для разряда тока и напряжения могут быть определены способом, аналогичным показанному выше, и резюмируются следующим образом:

Аккумулятор энергии

Чем больше емкость, тем больше энергии он может хранить.

Ток в конденсаторе определяется как:

Мгновенная мощность в конденсаторе является произведением тока и напряжения:

     ватт

В течение интервала dt, подведенная энергия составляет:

джоулей

Интегрируя мгновенную энергию по мере роста напряжения на конденсаторе, мы можем найти полную запасенную энергию:

джоуля

Стоит отметить, что при последовательном соединении конденсаторов общая емкость уменьшается, а номинальное напряжение увеличивается. При параллельном подключении номинальное напряжение остается прежним, но увеличивается общая емкость. В любом случае общее накопление энергии любой комбинации — это просто сумма накопительной емкости каждого отдельного конденсатора.

Потери в резисторах

При зарядке идеального конденсатора потерь нет. Однако, если конденсатор заряжается через резистор, то следует понимать, что половина зарядной энергии будет потеряна и рассеяна в виде тепла на конденсаторе.

Рассмотрим приведенную выше схему с зарядным током:

Мгновенные потери мощности на резисторе:

 

Следовательно, общие потери мощности: 9000 8

Работа через решение дает:

 ∫0∞V2Re−2tRCdt=[V2R(−RC2)e−2tRC]0∞=[0]−[−CV22]

 =12CV2 джоулей

Видно, что потери энергии такой же, как и в конденсаторе. При разрядке в резисторе также будет потеряна половина запасенной энергии.

См. также

• Теория сетей – информация о последовательном или параллельном соединении конденсаторов
• Конденсаторы – применение для накопления энергии

Конденсатор | Инжиниринг | Fandom

Конденсатор — это устройство, накапливающее энергию в электрическом поле, создаваемом между парой проводников, на которых размещены равные, но противоположные электрические заряды. Конденсатор иногда называют более старым термином конденсатор 9.0004 .

Конденсаторы различных типов

Конденсаторы SMD: электролитические внизу, керамические над ними; керамические и электролитические конденсаторы со сквозным отверстием справа для сравнения

Содержание

• 1 История
• 2 Физика
  • 2.1 Обзор
  • 2.2 Емкость
  • 2.3 Накопленная энергия
  • 2.4 Гидравлическая модель
• 3 В электрических цепях
  • 3.1 Цепи с источниками постоянного тока
  • 3.2 Цепи с источниками переменного тока
  • 3.3 Конденсаторы и ток смещения
  • 3.4 Конденсаторные сети
    • 3.4.1 Последовательное или параллельное расположение
  • 3,5 Сдвоенный конденсатор/индуктор
• 4 Приложения
  • 4.1 Аккумулятор энергии
  • 4.2 Обработка сигналов
  • 4.3 Источники питания
  • 4.4 Настроенные схемы
  • 4. 5 Сигнальная муфта
  • 4.6 Помехоподавляющие фильтры, пускатели и демпферы
  • 4.7 Применение датчика
    • 4.7.1 Акселерометры
  • 4.8 Применение оружия
• 5 Идеальные и неидеальные конденсаторы
• 6 Опасности и безопасность, связанные с конденсаторами
• 7 См. также
• 8 Внешние ссылки
• 9 Каталожные номера

История[]

См. [1]

Физика[]

Обзор[]

Конденсатор состоит из двух электродов или пластин, каждая из которых хранит противоположный заряд. Эти две пластины являются проводящими и разделены изолятором или диэлектрик. Заряд накапливается на поверхности пластин, на границе с диэлектриком. Поскольку каждая пластина хранит равный, но противоположный заряд, общий заряд 90 387 в конденсаторе всегда равен нулю.

При накоплении электрического заряда на пластинах в области между пластинами создается электрическое поле, пропорциональное количеству накопленного заряда. Это электрическое поле создает разность потенциалов В = E·d между пластинами этого простого плоскопараллельного конденсатора.

Электроны в молекулах перемещают или вращают молекулу по направлению к положительно заряженной левой пластине. Этот процесс создает противоположное электрическое поле, которое частично аннулирует поле, созданное пластинами. (Воздушный зазор показан для ясности; в реальном конденсаторе диэлектрик находится в непосредственном контакте с пластинами.)

Емкость[]

Емкость конденсатора ( C ) является мерой количества заряда ( Q ), накопленного на каждой пластине для заданной разности потенциалов или напряжения ( V ), которое появляется между пластинами:

C=QV{\displaystyle C={\frac {Q}{V}}}

В единицах СИ емкость конденсатора составляет один фарад (Ф), когда заряд в один кулон (Кл) вызывает разность потенциалов на пластинах в один вольт (В). Так как фарад является очень большой единицей, номиналы конденсаторов обычно выражаются в микрофарадах (мкФ) x10 ^-6 , нанофарад (нФ) x10 ^-9 или пикофарад (пФ) x10 ^-12 . {2}} [2]

где ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика, A — площадь пластин и d — расстояние между ними.

Накопленная энергия[]

Поскольку противоположные заряды накапливаются на пластинах конденсатора из-за разделения зарядов, на конденсаторе возникает напряжение из-за электрического поля этих зарядов. По мере отделения большего количества зарядов против этого все возрастающего электрического поля должна совершаться все возрастающая работа. Энергия (измеряемая в джоулях, в СИ), хранящаяся в конденсаторе, равна количеству работы, необходимой для установления напряжения на конденсаторе и, следовательно, электрического поля. Запасенная энергия определяется: 9{2} \over C}}

где V — напряжение на конденсаторе.

Гидравлическая модель[]

Поскольку электрическая схема может быть смоделирована потоком жидкости, конденсатор можно смоделировать как камеру с гибкой диафрагмой, отделяющей вход от выхода. Как можно определить как интуитивно, так и математически, это обеспечивает правильные характеристики: давление на блоке пропорционально интегралу тока, через него не может проходить установившийся ток, но может передаваться импульсный или переменный ток, емкость параллельно соединенных блоков эквивалентна сумме их индивидуальных емкостей; и т. д.

В электрических цепях[]

Цепях с источниками постоянного тока[]

Электроны не могут напрямую проходить через диэлектрик с одной пластины конденсатора на другую. Когда через конденсатор протекает ток, электроны накапливаются на одной пластине, а электроны удаляются с другой пластины. Этот процесс обычно называют «зарядкой» конденсатора, хотя конденсатор всегда электрически нейтрален. Фактически ток через конденсатор приводит к разделению, а не накоплению электрического заряда. Это разделение заряда вызывает возникновение электрического поля между пластинами конденсатора, что приводит к возникновению напряжения на пластинах. Это напряжение V прямо пропорционально количеству разделенного заряда Q. Но Q — это просто временной интеграл тока I, протекающего через конденсатор. Это выражается математически как:

I = dQdt = CdVdt {\ displaystyle I = {\ frac {dQ} {dt}} = C {\ frac {dV} {dt}}}

I — ток, текущий в обычном направлении, измеренный в амперах

dV/dt — производная напряжения по времени, измеренная в вольтах/секунду.

C – емкость в фарадах

Для цепей с источником постоянного (постоянного) напряжения напряжение на конденсаторе не может превышать напряжение источника. Таким образом достигается равновесие, при котором напряжение на конденсаторе постоянно, а ток через конденсатор равен нулю. По этой причине обычно говорят, что конденсаторы блокируют постоянный ток.

Цепи с источниками переменного тока[]

Ток конденсатора из-за переменного напряжения или источника тока периодически меняет направление. То есть переменный ток попеременно заряжает пластины то в одну, то в другую сторону. За исключением момента, когда ток меняет направление, ток конденсатора отличен от нуля в течение всего цикла. По этой причине обычно говорят, что конденсаторы «пропускают» переменный ток. Однако на самом деле электроны никогда не пересекают пластины.

Поскольку напряжение на конденсаторе является интегралом тока, как показано выше, с синусоидальными волнами в цепях переменного тока или сигнальных цепях это приводит к разнице фаз в 90 градусов, при этом ток опережает фазовый угол напряжения. Можно показать, что переменное напряжение на конденсаторе находится в квадратуре с переменным током через конденсатор. То есть напряжение и ток «не совпадают по фазе» на четверть периода. Амплитуда напряжения зависит от амплитуды тока, деленной на произведение частоты тока на емкость C. Отношение амплитуды напряжения к амплитуде тока называется реактивным сопротивлением конденсатора. это емкостное реактивное сопротивление определяется по формуле:

XC = −12πfC = −1ωC {\ displaystyle X_ {C} = — {\ frac {1} {2 \ pi fC}} = — {\ frac {1} {\ omega C}}}

где

ω = 2πf {\ displaystyle \ omega = 2 \ pi f} , угловая частота, измеренная в радианах в секунду

X _C = емкостное реактивное сопротивление, измеренное в омах

f = частота переменного тока в герцах

C = емкость в фарадах

и аналогичен сопротивлению резистора. Ясно, что реактивное сопротивление обратно пропорционально частоте. То есть для очень высокочастотных переменных токов реактивное сопротивление приближается к нулю, так что конденсатор является почти коротким замыканием на источник переменного тока очень высокой частоты. И наоборот, для переменного тока очень низкой частоты реактивное сопротивление неограниченно увеличивается, так что конденсатор представляет собой почти разомкнутую цепь для источника переменного тока очень низкой частоты.

Реактивность названа так потому, что конденсатор не рассеивает мощность, а просто накапливает энергию. В электрических цепях, как и в механике, есть два вида нагрузки, резистивная и реактивная. Резистивные нагрузки (аналогично скольжению объекта по шероховатой поверхности) рассеивают поступающую в них энергию, в конечном итоге за счет электромагнитного излучения (см. Излучение черного тела), в то время как реактивные нагрузки (аналогично пружине или движущемуся объекту без трения) сохраняют энергию.

Полное сопротивление конденсатора определяется по формуле: где j = −1 {\ displaystyle j = {\ sqrt {-1}}} и является мнимой единицей [3].

Следовательно, емкостное сопротивление является отрицательной мнимой составляющей импеданса. Отрицательный знак указывает на то, что ток опережает напряжение на 90° для синусоидального сигнала, в отличие от катушки индуктивности, где ток отстает от напряжения на 9°.0°.

Также важно то, что импеданс обратно пропорционален емкости, в отличие от резисторов и катушек индуктивности, для которых импедансы линейно пропорциональны сопротивлению и индуктивности соответственно. Вот почему формулы последовательного и шунтирующего импеданса (приведенные ниже) являются обратными для резистивного случая. Последовательно сумма импедансов. В шунте проводимости суммируются.

В настроенной цепи, такой как радиоприемник, выбранная частота является функцией последовательных индуктивности (L) и емкости (C) и определяется как:

f = 12πLC {\ displaystyle f = {\ frac {1} {2 \ pi {\ sqrt {LC}}}}}

Это частота, при которой возникает резонанс в последовательной цепи RLC.

Для идеального конденсатора ток конденсатора пропорционален скорости изменения напряжения на конденсаторе во времени, где коэффициентом пропорциональности является емкость, C:

i (t) = Cdv (t) dt {\ displaystyle i (t) = C {\ frac {dv (t)} {dt}}}

Импеданс в частотной области можно записать как

Z=1jωC=-jXC{\displaystyle Z={\frac {1}{j\omega C}}=-jX_{C}}.

Это показывает, что конденсатор имеет высокое сопротивление низкочастотным сигналам (когда ω мало) и низкое сопротивление высокочастотным сигналам (когда ω велико). Это поведение, зависящее от частоты, объясняет большинство применений конденсатора (см. «Применения» ниже).

При использовании преобразования Лапласа [4] в анализе цепей емкостное сопротивление представляется в области s следующим образом:

Z(s)=1sC{\displaystyle Z(s)={\frac {1}{sC}}}

Конденсаторы и ток смещения[]

Физик Джеймс Клерк Максвелл [5] изобрел концепцию тока смещения, d D /dt, чтобы сделать закон Ампера совместимым с сохранением заряда в случаях, когда заряд накапливается, как в конденсаторе. Он интерпретировал это как реальное движение зарядов даже в вакууме, где предполагал, что оно соответствует движению дипольных [6] зарядов в светоносном эфире [7]. Хотя от этой интерпретации отказались, поправка Максвелла к закону Ампера остается в силе.

Конденсаторные сети[]

Конденсатор может использоваться для блокирования постоянного тока, протекающего в цепи, и, следовательно, имеет важное применение для передачи сигналов переменного тока между каскадами усилителя, предотвращая при этом прохождение постоянного тока.

Последовательные или параллельные схемы[]

Основная статья: Последовательные и параллельные схемы

Конденсаторы в параллельной конфигурации имеют одинаковую разность потенциалов (напряжение). Их суммарная емкость ( C _eq ) определяется как:

Ceq=C1+C2+⋯+Cn{\displaystyle C_{eq}=C_{1}+C_{2}+\cdots +C_{n}\,}

Ток через конденсатор при последовательном соединении остается одинаковым, но напряжение на каждом конденсаторе может быть разным. Сумма разностей потенциалов (напряжений) равна общему напряжению. Их общая емкость определяется по формуле:

1Ceq = 1C1 + 1C2 + ⋯ + 1Cn {\ displaystyle {\ frac {1} {C_ {eq}}} = {\ frac {1} {C_ {1}}} + {\ frac { 1}{C_{2}}}+\cdots +{\frac {1}{C_{n}}}}

При параллельном подключении общий накопленный заряд равен сумме зарядов каждого конденсатора. При последовательном соединении заряд каждого конденсатора одинаков.

Одной из возможных причин последовательного соединения конденсаторов является увеличение общего номинального напряжения. На практике к каждому конденсатору может быть подключен очень большой резистор, чтобы гарантировать, что общее напряжение будет правильно разделено на отдельные номиналы, а не на незначительные различия в значениях емкости. Другое применение — использование поляризованных конденсаторов в цепях переменного тока; конденсаторы соединены последовательно, в обратной полярности, так что в любой момент времени один из конденсаторов не проводит ток.

Двойственность конденсатора и катушки индуктивности[]

С математической точки зрения идеальный конденсатор можно рассматривать как обратную сторону идеальной катушки индуктивности, потому что уравнения напряжения и тока двух устройств могут быть преобразованы друг в друга путем замены напряжения и тока условия. Точно так же, как две или более катушек индуктивности могут быть соединены магнитным образом, образуя трансформатор, два или более заряженных проводника могут быть соединены электростатически, образуя конденсатор. Взаимная взаимная емкость двух проводников определяется как ток, протекающий в одном, когда напряжение на другом изменяется на единицу напряжения в единицу времени.

Применение[]

Конденсатор	Поляризованные конденсаторы	Переменный конденсатор

Конденсаторы широко используются в электронных и электрических системах.

Аккумулятор энергии[]

Конденсатор может накапливать электроэнергию, когда он отключен от цепи зарядки, поэтому его можно использовать как временную батарею. Недавняя коммерческая доступность конденсаторов очень большой емкости, размером в один фарад и больше, позволила использовать такие компоненты для замены батарей в электронных устройствах без потери памяти, например, или для хранения энергии для доставки во время экстремальных пиковых нагрузок. как часто встречается в чрезвычайно мощных автомобильных аудиосистемах, которые сейчас можно увидеть.

Обработка сигналов[]

Энергия, хранящаяся в конденсаторе, может быть использована для представления информации либо в двоичной форме, как в компьютерах, либо в аналоговой форме, как в схемах с переключаемыми конденсаторами и линиях задержки с ковшами. Конденсаторы можно использовать в аналоговых схемах в качестве компонентов интеграторов или более сложных фильтров, а также для стабилизации контура отрицательной обратной связи. В схемах обработки сигналов также используются конденсаторы для интегрирования токового сигнала.

Источники питания[]

Конденсаторы обычно используются в источниках питания , где они сглаживают выходной сигнал двухполупериодного или двухполупериодного выпрямителя. Их также можно использовать в схемах подкачки заряда в качестве элемента накопления энергии при генерации более высоких напряжений, чем входное напряжение. Конденсаторы подключаются параллельно к силовым цепям большинства электронных устройств и более крупных систем (таких как фабрики), чтобы шунтировать и скрывать колебания тока от основного источника питания, чтобы обеспечить «чистое» питание для сигнальных цепей или цепей управления. В звуковом оборудовании, например, таким образом используется несколько конденсаторов, чтобы шунтировать гул линии электропередачи, прежде чем он попадет в сигнальную схему. Конденсаторы действуют как локальный резерв для источника питания постоянного тока и обходят переменные токи от источника питания.

Конденсаторы используются для коррекции коэффициента мощности. Такие конденсаторы часто представляют собой три конденсатора, подключенных к трехфазной нагрузке. Обычно значения этих конденсаторов даются не в фарадах, а в виде реактивной мощности в реактивных вольт-амперах (ВАр). Цель состоит в том, чтобы согласовать индуктивную нагрузку оборудования, содержащего двигатели, чтобы нагрузка казалась в основном резистивной.

Конденсаторы также используются параллельно для прерывания блоков высоковольтного автоматического выключателя с целью распределения напряжения между этими блоками. В этом случае их называют градуирующими конденсаторами. На принципиальных схемах конденсатор, используемый в основном для хранения заряда постоянного тока, часто изображается вертикально на принципиальных схемах, а нижняя, более отрицательная пластина изображается в виде дуги. Прямая пластина указывает на положительный вывод устройства, если он поляризован (см. электролитический конденсатор).

Неполяризованные электролитические конденсаторы, используемые для фильтрации сигналов, обычно имеют две изогнутые пластины. Другие неполяризованные конденсаторы имеют две прямые пластины.

Настроенные цепи[]

Конденсаторы и катушки индуктивности используются вместе в настроенных цепях для выбора информации в определенных частотных диапазонах. Например, радиоприемники полагаются на переменные конденсаторы для настройки частоты станции. В динамиках используются пассивные аналоговые кроссоверы, а в аналоговых эквалайзерах используются конденсаторы для выбора различных звуковых диапазонов.

Соединение сигналов[]

Поскольку конденсаторы пропускают переменный ток, но блокируют сигналы постоянного тока (при зарядке до приложенного постоянного напряжения), их часто используют для разделения компонентов переменного и постоянного тока в сигнале. Этот метод известен как соединение по переменному току . (Иногда для того же эффекта используются трансформаторы. ) Здесь используется большое значение емкости, значение которой не нужно точно контролировать, но реактивное сопротивление которого мало на частоте сигнала. Конденсаторы для этой цели, предназначенные для установки через металлическую панель, называются проходными конденсаторами и имеют несколько другое условное обозначение.

Помехоподавляющие фильтры, пускатели двигателей и демпферы[]

Когда индуктивная цепь размыкается, энергия, накопленная в магнитном поле индуктивности, быстро разрушается, создавая большое напряжение в разомкнутой цепи переключателя или реле. Если индуктивность достаточно велика, энергия будет генерировать искру, что приведет к окислению, износу или иногда сварке контактных точек или разрушению твердотельного переключателя. Снабберный конденсатор на только что разомкнутой цепи создает путь для этого импульса в обход точек контакта, тем самым сохраняя их жизнь; например, они обычно встречались в системах зажигания с контактным выключателем. Точно так же в цепях меньшего масштаба искры может быть недостаточно для повреждения переключателя, но она все равно будет излучать нежелательные радиочастотные помехи (РЧП), которые0078 фильтр конденсатор поглощает. Снабберные конденсаторы обычно используются с резистором малой мощности последовательно, чтобы рассеивать энергию медленнее и минимизировать радиочастотные помехи. Такие комбинации резистор-конденсатор доступны в одном корпусе.

И наоборот, для быстрого возбуждения тока через индуктивную цепь требуется большее напряжение, чем требуется для его поддержания; в таких случаях, как большие двигатели, это может привести к нежелательным пусковым характеристикам, а пусковой конденсатор двигателя используется для хранения достаточного количества энергии, чтобы дать току начальный толчок, необходимый для запуска двигателя.

Применение в преобразователях[]

Хотя конденсаторы обычно имеют фиксированную физическую структуру, а использование варьирует в зависимости от электрического напряжения и тока, влияние изменения физических и/или электрических характеристик диэлектрика при фиксированном электропитании также может быть использовать. Конденсаторы с открытым и пористым диэлектриком можно использовать для измерения влажности воздуха. Конденсаторы с гибкой пластиной можно использовать для измерения деформации или давления. Конденсаторы используются в качестве преобразователя в конденсаторных микрофонах, где одна пластина перемещается под действием давления воздуха относительно фиксированного положения другой пластины.

Акселерометры[]

В некоторых акселерометрах используются конденсаторы MEMS, выгравированные на чипе, для измерения величины и направления вектора ускорения. Они используются для обнаружения изменений в ускорении, например. как датчики наклона или для обнаружения свободного падения, как датчики срабатывания подушки безопасности и во многих других приложениях.

Применение в оружии[]

Малоизвестное военное применение конденсатора в ЭМИ-оружии. В качестве диэлектрика используется пластическая взрывчатка. Конденсатор заряжается и взрывается. Емкость становится меньше, но заряд на пластинах остается прежним. Это создает высокоэнергетическую электромагнитную ударную волну, способную уничтожить незащищенную электронику на многие мили вокруг.

Идеальные и неидеальные конденсаторы[]

На практике эту идеальную модель конденсатора часто приходится модифицировать, чтобы она отражала конструкцию и работу конденсатора в реальном мире. Наиболее очевидным примером являются электролитические конденсаторы, в которых конденсатор поляризован так, что при обратном подключении напряжения конденсатор действует как резистор. Однако аналогичные проблемы диэлектрической утечки являются постоянным усложнением конструкции всех конденсаторов и привели к постоянным улучшениям конструкции конденсаторов, поскольку материал, используемый для диэлектриков, изменился с промасленной бумаги на майлар и с керамики на тефлон. Это также решает связанную с этим проблему диэлектрической стабильности; промасленная или пропитанная электролитом бумага со временем высыхает, уменьшая емкость и увеличивая утечку, что является проблемой для современных компонентов.

С другой стороны, требования большой площади пластины для разумно полезных конденсаторов, а также разумной упаковки привели к повсеместной практике скручивания сэндвича пластины/диэлектрика в цилиндр, который затем герметизировался. Однако этот процесс также создает индуктивность последовательно с емкостью, точно так же, как введение спирального провода с аналогичными характеристиками последовательно с плоским конденсатором; в чувствительных цепях эту индуктивность необходимо учитывать, либо используя конденсатор с меньшей индуктивностью, либо шунтируя большой конденсатор меньшим, неиндуктивным. В последнее время эта практика стала более распространенной в продуктах, ориентированных на аудиофилов, поскольку было продемонстрировано, что индуктивные проблемы в недорогих конденсаторах ухудшают точность воспроизведения высоких частот.

В компьютерах и сотовых (мобильных) телефонах используются многослойные конденсаторы для поверхностного монтажа, поскольку эти устройства не имеют выводов и, следовательно, индуктивности выводов. Когда пластины конденсатора установлены под прямым углом к ​​печатной плате, индуктивность может быть очень низкой. Чтобы еще больше уменьшить индуктивность, используются широкие дорожки проводника и небольшие зазоры, а конденсатор имеет соответствующую форму.

Диэлектрические материалы могут вызывать нежелательные побочные эффекты. Например, диэлектрическая проницаемость титаната бария [8], используемого в керамических конденсаторах, изменяется в зависимости от температуры и давления. Такие конденсаторы чувствительны к вибрации и изгибу и могут вызывать модуляцию сигнала в электронных схемах, называемую 9.0387 микрофон .

Опасности и безопасность, связанные с конденсаторами[]

Конденсаторы могут сохранять заряд долгое время после отключения питания от цепи; этот заряд может вызвать поражение электрическим током (вплоть до поражения электрическим током) или повреждение подключенного оборудования. Поскольку конденсаторы имеют такое низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), они способны подавать большие токи в короткие замыкания; это может быть опасно. Необходимо позаботиться о том, чтобы любой большой или высоковольтный конденсатор был должным образом разряжен перед обслуживанием содержащего его оборудования. В целях безопасности все большие конденсаторы следует разряжать перед использованием. Для конденсаторов на уровне платы это делается путем размещения стравливающий резистор на клеммах, сопротивление которого достаточно велико, чтобы ток утечки не повлиял на цепь, но достаточно мал, чтобы разрядить конденсатор вскоре после отключения питания. Конденсаторы высокого напряжения следует хранить с закороченными клеммами, чтобы рассеять накопленный заряд.

Большие старые маслонаполненные конденсаторы необходимо утилизировать надлежащим образом, поскольку некоторые из них содержат полихлорированные дифенилы [9] (ПХД). Известно, что отработанные ПХД могут просачиваться в грунтовые воды под свалками. При употреблении в пищу загрязненной воды ПХБ являются канцерогенными [10] даже в очень малых количествах. Если конденсатор физически большой, он, скорее всего, будет опасен и может потребовать мер предосторожности в дополнение к описанным выше. Новые электрические компоненты больше не производятся с использованием печатных плат. Значение: имейте в виду, что печатная плата в электронике обычно означает печатную плату, в отличие от химии, где она может использоваться, как показано выше.

См. также[]

Конденсатор (деталь) Шаблон:Wikibookspar

• Емкость
• Конденсаторная чума Неисправности конденсаторов на материнских платах компьютеров
• Схема
• Электромагнетизм
• Электричество
• Электроника
• Индуктор
• Практические конденсаторы
• Суперконденсатор

Внешние ссылки[]

• Практические конденсаторы и другая электроника для робототехники
• Калифорнийский технологический институт: Практические свойства конденсатора
• General Atomics Electronic Systems, Inc. Высоковольтные импульсные силовые конденсаторы и системы.
• Skeleton NanoLab, исследование и разработка передовых конденсаторов
• Howstuffworks.com: Как работают конденсаторы
• CapSite 2016: Знакомство с конденсаторами
• Цепи переменного тока

Ссылки []

«IEEE Spectrum», январь 2005 г.