Соединение конденсаторов — Основы электроники
В электрических цепях применяются различные способы соединения конденсаторов. Соединение конденсаторов может производиться: последовательно, параллельно и последовательно-параллельно (последнее иногда называют смешанное соединение конденсаторов). Существующие виды соединения конденсаторов показаны на рисунке 1.
Рисунок 1. Способы соединения конденсаторов.
Параллельное соединение конденсаторов.
Если группа конденсаторов включена в цепь таким образом, что к точкам включения непосредственно присоединены пластины всех конденсаторов, то такое соединение называется параллельным соединением конденсаторов (рисунок 2.).
Рисунок 2. Параллельное соединение конденсаторов.
При заряде группы конденсаторов, соединенных параллельно, между пластинами всех конденсаторов будет одна и та же разность потенциалов, так как все они заряжаются от одного и того же источника тока.
Общее же количество электричества на всех конденсаторах будет равно сумме количеств электричества, помещающихся на каждом из конденсаторов, так как заряд каждого их конденсаторов происходит независимо от заряда других конденсаторов данной группы. Исходя из этого, всю систему параллельно соединенных конденсаторов можно рассматривать как один эквивалентный (равноценный) конденсатор. Тогда общая емкость конденсаторов при параллельном соединении равна сумме емкостей всех соединенных конденсаторов.
Обозначим суммарную емкость соединенных в батарею конденсаторов буквой Собщ, емкость первого конденсатора С1 емкость второго С2 и емкость третьего С3. Тогда для параллельного соединения конденсаторов будет справедлива следующая формула:
Последний знак + и многоточие указывают на то, что этой формулой можно пользоваться при четырех, пяти и вообще при любом числе конденсаторов.
Последовательное соединение конденсаторов.
Если же соединение конденсаторов в батарею производится в виде цепочки и к точкам включения в цепь непосредственно присоединены пластины только первого и последнего конденсаторов, то такое соединение конденсаторов называется последовательным (рисунок 3).
Рисунок 2. Последовательное соединение конденсаторов.
При последовательном соединении все конденсаторы заряжаются одинаковым количеством электричества, так как непосредственно от источника тока заряжаются только крайние пластины (1 и 6), а остальные пластины (2, 3, 4 и 5) заряжаются через влияние. При этом заряд пластины 2 будет равен по величине и противоположен по знаку заряду пластины 1, заряд пластины 3 будет равен по величине и противоположен по знаку заряду пластины 2 и т. д.
Напряжения на различных конденсаторах будут, вообще говоря, различными, так как для заряда одним и тем же количеством электричества конденсаторов различной емкости всегда требуются различные напряжения. Чем меньше емкость конденсатора, тем большее напряжение необходимо для того, чтобы зарядить этот конденсатор требуемым количеством электричества, и наоборот.
Таким образом, при заряде группы конденсаторов, соединенных последовательно, на конденсаторах малой емкости напряжения будут больше, а на конденсаторах большой емкости — меньше.
Аналогично предыдущему случаю можно рассматривать всю группу конденсаторов, соединенных последовательно, как один эквивалентный конденсатор, между пластинами которого существует напряжение, равное сумме напряжений на всех конденсаторах группы, а заряд которого равен заряду любого из конденсаторов группы.
Возьмем самый маленький конденсатор в группе. На нем должно быть самое большое напряжение. Но напряжение на этом конденсаторе составляет только часть общего напряжения, существующего на всей группе конденсаторов. Напряжение на всей группе больше напряжения на конденсаторе, имеющем самую малую емкость. А отсюда непосредственно следует, что общая емкость группы конденсаторов, соединенных последовательно, меньше емкости самого малого конденсатора в группе.
Для вычисления общей емкости при последовательном соединении конденсаторов удобнее всего пользоваться следующей формулой:
Для частного случая двух последовательно соединенных конденсаторов формула для вычисления их общей емкости будет иметь вид:
Последовательно-параллельное (смешанное) соединение конденсаторов
Последовательно-параллельным соединением конденсаторов называется цепь имеющая в своем составе участки, как с параллельным, так и с последовательным соединением конденсаторов.
На рисунке 4 приведен пример участка цепи со смешанным соединением конденсаторов.
Рисунок 4. Последовательно-параллельное соединение конденсаторов.
При расчете общей емкости такого участка цепи с последовательно-параллельным соединением конденсаторов этот участок разбивают на простейшие участки, состоящие только из групп с последовательным или параллельным соединением конденсаторов. Дальше алгоритм расчета имеет вид:
1. Определяют эквивалентную емкость участков с последовательным соединением конденсаторов.
2. Если эти участки содержат последовательно соединенные конденсаторы, то сначала вычисляют их емкость.
3. После расчета эквивалентных емкостей конденсаторов перерисовывают схему. Обычно получается цепь из последовательно соединенных эквивалентных конденсаторов.
4. Рассчитывают емкость полученной схемы.
Один из примеров расчета емкости при смешанном соединении конденсаторов приведен на рисунке 5.
Рисунок 5. Пример расчета последовательно-параллельного соединения конденсаторов.
Подробнее о расчетах соединения конденсаторов можно узнать в мультимедийном учебнике по основам электротехники и электроники:
ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!
Похожие материалы:
Добавить комментарий
виды и важные для применения особенности
Введение
История конденсаторов уходит в глубь веков. Первым прототипом конденсатора принято считать лейденскую банку, которую независимо друг от друга в 1745 г. создали немец Эвальд Юрген фон Клейст (Ewald Georg von Kleist) и голландец Питер ван Мушенбрук (Pieter van Musschenbroek). Разумеется, за прошедшие годы технология конденсаторов претерпела множество изменений, одно поколение устройств сменяло другое, и конструктивно современные конденсаторы бесконечно далеки от прародителей. Основные различия между ними заключаются в типах применяемых диэлектриков.
В рамках краткого обзора невозможно рассмотреть подробно особенности практического применения всех типов конденсаторов, поэтому сосредоточимся на тех, которые наиболее часто применяются в современной электронике.
Общая классификация выглядит следующим образом:
- конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические конденсаторы):
- алюминиевые;
- танталовые;
- гибридные;
- пленочные конденсаторы с диэлектриком из различных полимеров;
- конденсаторы с твердым диэлектриком:
- керамические конденсаторы;
- диэлектрик из стекла;
- слюдяные конденсаторы.
По способу монтажа различают три категории:
- для поверхностного монтажа;
- для монтажа в отверстия;
- с выводами под винт.
Иногда конденсаторы с оксидным диэлектриком называют электролитическими конденсаторами, но это неверно. Танталовые конденсаторы не являются электролитическими.
Несмотря на множество различий, для всех типов конденсаторов используется одна и та же эквивалентная схема. Она показана на рис. 1, и на ней отображены паразитные элементы конденсатора:
Рис. 1. Эквивалентная схема конденсатора
- ESL – эквивалентная последовательная индуктивность;
- ESR – эквивалентное последовательное сопротивление;
- RL – сопротивление утечки.
Особенности практического применения конденсаторовМногослойные керамические конденсаторы (MLCC)
Этот тип конденсаторов можно найти практически на любой печатной плате. Массовость их применения обусловлена экономичностью и отличными частотными свойствами. Керамические конденсаторы разделяются на две группы: в одной из них используется диэлектрик класса I, а в другой — класса II.
Диэлектрик класса I имеет хорошую стабильность, но небольшую диэлектрическую проницаемость, поэтому емкость конденсаторов с ним обычно не превышает 10 нФ. Диэлектрик класса II, напротив, имеет высокую диэлектрическую проницаемость, что позволяет достичь емкости в несколько сотен микрофарад, но он нестабилен, поэтому величина емкости конденсатора зависит от условий эксплуатации.
Емкость керамического конденсатора в основном зависит от трех условий: температуры, постоянного напряжения смещения и длительности эксплуатации (старения).
При заряде конденсатора до напряжения U в диэлектрике возникает электрическое поле, напряженность которого определяется выражением:
E = U/T, (1)
где: E — напряженность электрического поля; T — толщина диэлектрика.
Напряженность E не влияет на диэлектрик класса I, но влияет на параметры диэлектрика класса II и, следовательно, на емкость конденсатора. На рис. 2 приведены экспериментальные результаты влияния постоянного смещения на конденсаторы емкостью 4,7 мкФ разных производителей. Конденсаторы имели разные типоразмеры и разные нормируемые напряжения.
Как видно из рисунка, чем больше типоразмер конденсатора, толщина диэлектрика, нормируемое напряжение, тем меньше постоянное смещение сказывается на емкости конденсатора.
Однако отметим, что и при одинаковых параметрах конденсаторы разных производителей ведут себя по-разному.
Старению, так же, как и воздействию постоянного смещения, тоже подвержены только конденсаторы с диэлектриком класса II. Причина в том, что их диэлектрик, в отличие от диэлектрика класса I, представляет собой ферроэлектрический материал. Со временем происходит переориентация магнитных диполей и свойства диэлектрика меняются. Старение происходит не только при эксплуатации, но и при хранении конденсаторов.
Однако процесс старения обратим: при нагревании до температуры выше точки Кюри в данном случае +125 °С) происходит риформинг — емкость конденсатора возвращается к начальной. До +125 °С конденсатор нагревается в печи оплавления, потому отсчет срока службы можно начинать от момента монтажа. Напомним, что точкой Кюри называется температура, при которой происходит фазовый переход в состоянии вещества. В нашем случае диэлектрик конденсатора становится парамагнетиком.
При старении емкость конденсатора изменяется на 3–7% в течение декады, выраженной в часах.
Ранее считалось, что механизмы старения действуют независимо, но исследования, проведенные компанией Vishay, показали, что при постоянном смещении темп старения возрастает. Также ускоряет процесс старения повышение температуры.
В таблице приведены все факторы, влияющие на изменение емкости конденсаторов (по данным Vishay), и остаточная емкость конденсаторов через 100 тыс. ч (около 11,5 лет). Следует учесть, что в промышленных приложениях срок службы изделий достигает 15–20 лет, а иногда и 25 лет, поэтому в таких изделиях желательно использовать конденсаторы с диэлектриком класса I.
Воздействие на конденсатор | Конденсатор 1 мкФ, 25 В | Конденсатор 2,2 мкФ, 10 В |
|---|---|---|
Начальная погрешность | –10% | –10% |
Смещение 5 В | –20% | –56% |
Температура +70 °С | –10% | –10% |
Старение за 100 тыс. | –25% | –25% |
Снижение емкости из-за указанных воздействий | 0,49 мкФ | 0,58 мкФ |
ч
Частотные свойства этих конденсаторов хуже, чем у керамических, но они имеют самую высокую плотность емкости. Конденсаторы производятся по одной из трех технологий:
- с жидким электролитом;
- с твердым электролитом из проводящих полимеров;
- гибрид, сочетающий жидкий электролит и проводящие полимеры.
Емкость электролитических конденсаторов с жидким электролитом достигает сотен тысяч микрофарад, но ахиллесовой пятой таких конденсаторов является срок службы, его величина определяется формулой:
(2)
где:
Tx – температура при эксплуатации; L0 — срок службы по документации производителя при заданных режимах эксплуатации; IX — рабочий ток пульсации в схеме; I0
— нормируемый ток пульсации; K = 2 при IX > I0 и K = 4 IX ≤ I0.
Как видно из (2), для того чтобы увеличить срок службы конденсаторов, необходимо уменьшить его температуру и ток пульсаций. Заметим, что с уменьшением частоты уменьшается и максимально допустимое значение тока пульсации. Снизить рабочую температуру конденсатора можно не только за счет конструкции изделия, но и за счет выбора конденсатора большего размера, поскольку при этом увеличивается его поверхность охлаждения.
Конденсаторы с электролитом из проводящих полимеров имеют увеличенный срок службы, малый размер и высокую надежность, их емкость достигает нескольких тысяч микрофарад. Гибридные конденсаторы отличаются хорошей стабильностью, их параметры в меньшей степени зависят от условий эксплуатации. Сказанное иллюстрирует рис. 3, на котором показана зависимость емкости от частоты для электролитических конденсаторов с жидким электролитом и для гибридных конденсаторов. Также и сопротивление (ESR) гибридного конденсатора значительно меньше подвержено изменению во всем диапазоне рабочих частот.
Рис. 3. Зависимость емкости от частоты для электролитических конденсаторов с жидким электролитом и для гибридных конденсаторов
Следует еще отметить возможность самовосстановления полимерной пленки гибридных конденсаторов. В месте ее повреждения возрастает ток и из-за дополнительного нагрева разрушается молекулярная структура пленки в этом месте, что приводит к изолированию поврежденного участка и локализации разрушения. Поэтому гибридные конденсаторы более устойчивы к перегрузкам по току.
В компании Panasonic провели эксперимент, в котором гибридный конденсатор с нормируемым пульсирующим током 1,3 А подвергался воздействию пульсирующего тока 3,6 А. За 5 000 ч испытаний параметры конденсатора не вышли за пределы допусков, указанных в документации.
Танталовые конденсаторыВ конденсаторах этого типа отсутствует механизм старения, их параметры стабильны и очень мало зависят от условий эксплуатации. Увы, у них есть серьезный недостаток: при импульсном перенапряжении в них развивается ток короткого замыкания, что приводит к их перегреву и даже к возгоранию.
Поэтому такие конденсаторы желательно выбирать с 2–, 2,5-кратным запасом по напряжению и использовать в цепях с токоограничивающими элементами.
По сочетанию параметров емкость — нормируемое напряжение — максимальный ток эти конденсаторы не имеют себе равных для применения в силовой электронике. Их можно использовать и в цепях помехоподавления, и в цепях сглаживания пульсаций тока.
Благодаря способности диэлектрика выдерживать высокую напряженность электрического поля (230–500 В/мкм) и весьма низкому ESR нормируемое напряжение пленочных конденсаторов может достигать нескольких тысяч вольт, а ток пульсации — нескольких десятков ампер.
Существуют две основные технологии производства таких конденсаторов: использование фольги или напыление металла. В первом случае фольгу, служащую обкладкой конденсатора, толщиной не более 5 мкм, помещают между слоями диэлектрика. Вторая технология заключается в напылении алюминия или сплавов цинка на полипропиленовую пленку толщиной 20–50 нм.
Конденсаторы, изготовленные с использованием фольги, допускают значительные максимальные токи, но в них практически отсутствует эффект самовосстановления. А вот в технологии с напылением этот эффект весьма заметен. Пробой такого конденсатора сопровождается электрической дугой, температура в месте пробоя может повыситься до +6000 °С, что приводит к испарению металла и исчезновению проводящего тракта, а следовательно, к восстановлению диэлектрической прочности.
Частотные характеристики конденсаторовНетрудно заметить, что схема замещения конденсатора представляет собой последовательный колебательный контур с собственной резонансной частотой ω0 = √1/(ESL × C) и степенью затухания — β = (ESR/2) × √C/ESL. Сопротивлением утечки RL в данном случае можно пренебречь. Примерный вид частотной характеристики импеданса пленочного, керамического и танталового конденсатора приведен на рис. 4. Частотная характеристика импеданса электролитического конденсатора более сглаженная, она изображена на рис.
5.
Рис. 4. Частотная характеристика импеданса пленочного, керамического и танталового конденсатора
Рис. 5. Частотная характеристика электролитического конденсатора
Для того чтобы уменьшить паразитные составляющие ESR и ESL, а следовательно, снизить потери и улучшить частотные свойства конденсаторов, можно вместо одного конденсатора с емкостью С использовать N параллельно включенных конденсаторов с емкостью С/N. При этом величина емкости не изменится, а ESR и ESL уменьшатся в N раз.
ОШИБКА — 404 — НЕ НАЙДЕНА
- Главная
- человек, почему ты вообще должен что-то делать
Наши серверные гномы не смогли найти страницу, которую вы ищете.
Похоже, вы неправильно набрали URL-адрес в адресной строке или перешли по старой закладке.
Возможно, некоторые из них могут вас заинтересовать?
ATmega328 с Arduino Optiboot (Uno)
В наличии DEV-10524
9
Избранное Любимый 46
Список желаний
Комплект силовых резисторов — 10 Вт (25 шт.
)В наличии КОМПЛЕКТ-13053
2
Избранное Любимый 16
Список желаний
Клеммы-защелки — шаг 5 мм (2-контактные)
В наличии ПРТ-15898
Избранное Любимый 2
Список желаний
MIKROE Бесколлекторный 7 Click
Нет в наличии РОБ-18786
24,95 $
Избранное Любимый 0
Список желаний
Температурный монитор Интернета вещей своими руками
17 декабря 2020 г.
Создание сети мониторов температуры с помощью приложения IoT.
Избранное Любимый 0
Хорошие вибрации (и конкурс)
6 мая 2021 г.
На прошлой неделе мы выпустили небольшой тактильный драйвер от Dialog Semiconductors. На этой неделе я покажу вам, как быстро и просто можно создать проект, который может сэкономить рабочие места.
Избранное Любимый 4
Носимая светодиодная танцевальная привязь с управлением движением
30 января 2019 г.
Управление светодиодами на основе вашего движения с помощью акселерометра! Заставьте ваши светодиоды дышать, постепенно вспыхивая и гаснув, когда вы лежите на полу, выключайте светодиоды, когда двигаетесь в свою сторону, или заставляйте светодиоды мигать в стойке на голове!
Избранное Любимый 3
- Электроника SparkFun®
- 6333 Dry Creek Parkway, Niwot, Colorado 80503
- Настольный сайт
- Ваш счет
- Авторизоваться
- регистр
ОШИБКА — 404 — НЕ НАЙДЕНА
- Главная
- Это не луна!
Наши серверные гномы не смогли найти страницу, которую вы ищете.
Похоже, вы неправильно набрали URL-адрес в адресной строке или перешли по старой закладке.
Возможно, некоторые из них могут вас заинтересовать?
Pogo Pin с вогнутым наконечником
Нет в наличии ПРТ-10114
Избранное Любимый 3
Список желаний
MKROE Счетчик кликов
Осталось всего 5! ЛПП-18886
24,95 $
Избранное Любимый 0
Список желаний
MIKROE Keylock Щелчок
Нет в наличии COM-20238
42,95 $
Избранное Любимый 0
Список желаний
MIKROE 4G LTE 2 Click — Голос
Нет в наличии CEL-21300
139,95 $
Избранное Любимый 0
Список желаний
Идеальная картинка Пи
19 ноября 2020 г.
Мы берем новый модуль камеры Raspberry Pi HQ, чтобы сравнить объективы, которыми вы можете его оснастить.
Избранное Любимый 3
BMA400 и LPS28DFW: подробный обзор
14 декабря 2022 г.
На прошлой неделе мы выпустили четыре новые платы с BMA400 от Bosch, а также LPS28DFW от STMicroelectronics. Сегодня мы подробно рассмотрим каждый из этих наборов микросхем!
Избранное Любимый 0
MS5803-14BA Направляющая для подключения датчика давления
24 июля 2014 г.
Выход из строя датчика давления MS5803-14BA для измерения абсолютного давления жидкости вокруг них для определения высоты над уровнем моря, глубины воды или любых других задач, требующих точных показаний давления. Сюда входят воздух, вода и все остальное, что ведет себя как вязкая жидкость.