Емкость конденсатора на что влияет: 3. Факторы, влияющие на емкость конденсатора | 12. Конденсаторы | Часть1

3. Факторы, влияющие на емкость конденсатора | 12. Конденсаторы | Часть1

Факторы, влияющие на емкость конденсатора

На емкость конденсатора влияют три основных фактора.

ПЛОЩАДЬ ПЛАСТИН: При прочих равных условиях, большая площадь пластин даст большую ёмкость, а меньшая — меньшую.

Объяснение: большая площадь пластин приводит к увеличению заряда, накапливаемого на пластинах для данного электрического поля (напряжения между пластинами).

РАССТОЯНИЕ МЕЖДУ ПЛАСТИНАМИ: При прочих равных условиях, большее расстояние дает меньшую емкость и наоборот.

Объяснение: меньшее расстояние создает большую силу поля (напряжение, деленное на расстояние между пластинами), что приводит к накоплению большего заряда для любого заданного напряжения.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ: При прочих равных условиях, материал с большей относительной диэлектрической проницаемостью дает большую емкость и наоборот.

Объяснение: некоторые материалы меньше сопротивляются интенсивности поля при любом заданном напряжении, а следовательно, накапливают больший заряд.

Относительная диэлектрическая проницаемость характеризует проницаемость материала в сравнении с чистым вакуумом. Чем больше число, тем больше диэлектрическая проницаемость материала. Относительная диэлектрическая проницаемость стекла, например, в семь раз выше относительной диэлектрической проницаемости вакуума. Это позволяет создать интенсивность поля в семь раз большую, чем у вакуума, при прочих равных условиях.

Ниже приведена таблица относительной диэлектрической проницаемости наиболее распространенных материалов:

Приблизительная емкость для любой пары разделенных проводников может быть найдена с помощью следующей формулы:

Конденсатор можно сделать переменным, если изменяемым будет любой из факторов, влияющих на его емкость. Наиболее легко изменяемым фактором является площадь пластин.

Следующие фотографии показывают пример переменного конденсатора, который состоит из набора чередующихся металлических пластин, и использующий воздушный зазор в качестве диэлектрического материала:

Конденсатор

Конденсатор – электронный компонент, предназначенный для накопления электрического заряда.
Способность конденсатора накапливать электрический заряд зависит от его главной характеристики – емкости.
Емкость конденсатора (С) определяется как соотношение количества электрического заряда (Q) к напряжению (U).

Емкость конденсатора измеряется в фарадах (F) – единицах, названых в честь британского ученого физика Майкла Фарадея.
Емкость в один фарад (1F) равняется количеству заряда в один кулон (1C), создающему напряжение на конденсаторе в один вольт (1V).
Вспомним, что один кулон (1С) равняется величине заряда, прошедшего через проводник за одну секунду (1sec) при силе тока в один ампер (1A).

Однако кулон, это очень большое количество заряда относительно того, сколько способно хранить большинство конденсаторов.
По этой причине, для измерения емкости обычно используют микрофарады (µF или uF), нанофарады (nF) и пикофарады (pF).

• 1nF = 0.000000001 = 10^-9 F

• 1pF = 0.000000000001 = 10^-12 F

Плоский конденсатор

Существует множество типов конденсаторов различной формы и внутреннего устройства. Рассмотрим самый простой и принципиальный — плоский конденсатор.
Плоский конденсатор состоит из двух параллельных пластин проводника (обкладок),
электрически изолированных друг от друга воздухом, или специальным диэлектрическим материалом (например бумага, стекло или слюда).

Заряд конденсатора. Ток

По своему предназначению конденсатор напоминает батарейку, однако все же он сильно отличается по принципу работы,
максимальной емкости, а также скорости зарядки/разрядки.

Рассмотрим принцип работы плоского конденсатора. Если подключить к нему источник питания,
на одной пластине проводника начнут собираться отрицательно заряженные частицы в виде электронов,
на другой – положительно заряженные частицы в виде ионов. Поскольку между обкладками находиться диэлектрик,
заряженные частицы не могут «перескочить» на противоположную сторону конденсатора.
Тем не менее, электроны передвигаются от источника питания — до пластины конденсатора. Поэтому в цепи идет электрический ток.

В самом начале включения конденсатора в цепь, на его обкладках больше всего свободного места.
Следовательно, начальный ток в этот момент встречает меньше всего сопротивления и является максимальным.
По мере заполнения конденсатора заряженными частицами ток постепенно падает, пока не закончится свободное
место на обкладках и ток совсем не прекратится.

Время между состояниями «пустого» конденсатора с максимальным значением тока, и «полного»
конденсатора с минимальным значением тока (т.е. его отсутствием),
называют переходным периодом заряда конденсатора.

Заряд конденсатора. Напряжение

В самом начале переходного периода зарядки, напряжение между обкладками конденсатора равняется нулю.
Как только на обкладках начинают появляться заряженные частицы, между разноименными зарядами возникает напряжение.
Причиной этому является диэлектрик между пластинами, который «мешает» стремящимся друг к другу зарядам с противоположным
знаком перейти на другую сторону конденсатора.

На начальном этапе зарядки, напряжение быстро растет,
потому что большой ток очень быстро увеличивает количество заряженных частиц на обкладках.
Чем больше заряжается конденсатор, тем меньше ток, и тeм медленнее растет напряжение.
В конце переходного периода, напряжение на конденсаторе полностью прекратит рост, и будет равняться напряжению на источнике питания.

Как видно на графике, сила тока конденсатора напрямую зависит от изменения напряжения.

Формула для нахождения тока конденсатора во время переходного периода:

• Ic — ток конденсатора

• C — Емкость конденсатора

• ΔVc/Δt – Изменение напряжения на конденсаторе за отрезок времени

Разряд конденсатора

После того как конденсатор зарядился, отключим источник питания и подключим нагрузку R.
Так как конденсатор уже заряжен, он сам превратился в источник питания.
Нагрузка R образовала проход между пластинами. Отрицательно заряженные электроны,
накопленные на одной пластине, согласно силе притяжения между разноименными зарядами,
двинутся в сторону положительно заряженных ионов на другой пластине.

В момент подключения R, напряжение на конденсаторе то же, что и после окончания переходного периода зарядки.
Начальный ток по закону Ома будет равняться напряжению на обкладках, разделенном на сопротивление нагрузки.

Как только в цепи пойдет ток, конденсатор начнет разряжаться. По мере потери заряда,
напряжение начнет падать. Следовательно, ток тоже упадет. По мере понижения значений
напряжения и тока, будет снижаться их скорость падения.

Время зарядки и разрядки конденсатора зависит от двух параметров – емкости конденсатора C и общего сопротивления в цепи R.
Чем больше емкость конденсатора, тем большее количество заряда должно пройти по цепи, и тем больше
времени потребует процесс зарядки/разрядки ( ток определяется как количество заряда, прошедшего
по проводнику за единицу времени). Чем больше сопротивление R, тем меньше ток. Соответственно, больше времени потребуется на зарядку.

Продукт RC (сопротивление, умноженное на емкость) формирует временную константу τ (тау).
За один τ конденсатор заряжается или разряжается на 63%. За пять τ
конденсатор заряжается или разряжается полностью.

Для наглядности подставим значения: конденсатор емкостью в 20 микрофарад, сопротивление в 1 килоом и источник питания в 10В.
Процесс заряда будет выглядеть следующим образом:

Устройство конденсатора. От чего зависит емкость?

Емкость плоского конденсатора зависит от трех основных факторов:

• Площадь пластин — A

• Расстояние между пластинами – d

• Относительная диэлектрическая проницаемость вещества между пластинами — ɛ

Площадь пластин

Чем больше площадь пластин конденсатора, тем больше заряженых частиц могут на них разместится, и тем больше емкость.

Расстояние между пластинами

Емкость конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Для того чтобы объяснить природу влияния этого фактора,
необходимо вспомнить механику взаимодействия зарядов в пространстве (электростатику).

Если конденсатор не находится в электрической цепи, то на заряженные частицы, расположенные на его пластинах влияют две силы.
Первая — это сила отталкивания между одноименными зарядами соседних частиц на одной пластине.
Вторая – это сила притяжения разноименных зарядов между частицами, находящимися на противоположных пластинах.
Получается, что чем ближе друг к другу находятся пластины, тем больше суммарная сила притяжения зарядов
с противоположным знаком, и тем больше заряда может разместится на одной пластине.

Относительная диэлектрическая проницаемость

Не менее значимым фактором, влияющим на емкость конденсатора, является такое свойство материала между
обкладками как относительная диэлектрическая проницаемость ɛ. Это безразмерная физическая величина,
которая показывает во сколько раз сила взаимодействия двух свободных зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме.

Материалы с более высокой диэлектрической проницаемостью позволяют обеспечить большую емкость.
Объясняется это эффектом поляризации – смещением электронов атомов диэлектрика в сторону положительно заряженной пластины конденсатора.

Поляризация создает внутренне электрическое поле диэлектрика, которое ослабляет общую разность потенциала
(напряжения) конденсатора. Напряжение U препятствует притоку заряда Q на конденсатор. Следовательно,
понижение напряжения способствует размещению на конденсаторе большего количества электрического заряда.

Ниже приведены примеры значений диэлектрической проницаемости для некоторых изоляционных материалов, используемых в конденсаторах.

• Бумага – от 2.5 до 3.5

• Стекло – от 3 до 10

• Слюда – от 5 до 7

• Порошки оксидов металлов – от 6 до 20

Номинальное напряжение

Второй по значимости характеристикой после емкости является максимальное номинальное напряжение конденсатора.
Данный параметр обозначает максимальное напряжение, которое может выдержать конденсатор.
Превышение этого значения приводит к «пробиванию» изолятора между пластинами и короткому замыканию. Номинальное напряжение зависит от материала изолятора и его толщины (расстояния между обкладками).

Следует отметить, что при работе с переменным напряжением нужно учитывать именно пиковое значение
(наибольшее мгновенное значение напряжения за период). Например, если эффективное напряжение
источника питания будет 50В, то его пиковое значение будет свыше 70В. Соответственно необходимо
использовать конденсатор с номинальным напряжением более 70В. Однако на практике, рекомендуется
использовать конденсатор с номинальным напряжением не менее в два раза превышающим максимально
возможное напряжение, которое будет к нему приложено.

Ток утечки

Также при работе конденсатора учитывается такой параметр как ток утечки. Поскольку в реальной
жизни диэлектрик между пластинами все же пропускает маленький ток, это приводит к потере со временем начального заряда конденсатора.

Конденсатор в цепях переменного тока

Чтобы понять, как работает конденсатор в цепях переменного тока, вам потребуется хотя бы
минимальное представление об этом самом переменном токе. Будем считать, что эти знания у вас есть,
поэтому здесь приведём только информацию, касающуюся работы конденсатора.

На рис. 1 приведены графики изменения силы тока и напряжения во времени для ёмкостной нагрузки,
то есть для конденсатора.

Рис. 1. Изменения силы тока и напряжения во времени для ёмкостной нагрузки.

Здесь Uc(t) — напряжение на конденсаторе, I(t) — ток в цепи,
Ug(t) — напряжение на выходе источника переменного напряжения.

Итак, при подключении конденсатора к источнику переменного напряжения (перед подключением конденсатор разряжен),
ток в цепи максимальный (см. рис. 1), а напряжение Uc на конденсаторе равно нулю. Ёмкость конденсатора
влияет на ток, но нас пока это не интересует.

В первой четверти периода напряжение источника увеличивается, напряжение на конденсаторе также увеличивается.
Конденсатор заряжается, а ток в цепи уменьшается. По прошествии 1/4 периода конденсатор полностью
заряжен и ток в цепи равен нулю.

Во второй четверти происходит разряд конденсатора, ток в цепи увеличивается. И так далее.

Таким образом, ток, протекающий через конденсатор, отстаёт от напряжения на его обкладках на одну
четверть периода.

Закон Ома для действующих значений имеет вид:

I = CUω = U / Xc

Где С — ёмкость конденсатора, Ф, U — напряжение, В, Хс — ёмкостное сопротивление цепи, Ом, которое равно

Xc = 1 /ωC = 1 / 2πfC

Где f — частота переменного тока, Гц.

Отсюда можно сделать вывод, что ёмкостное сопротивление зависит не только от ёмкости конденсатора, но и
от частоты переменного тока. Чем выше частота, тем меньше ёмкостное сопротивление конденсатора, и наоборот.

Исходя из вышесказанного напрашивается первое применение конденсатора в цепях
переменного тока — работа в качестве гасящего элемента в делителях напряжения.
Конечно, проще и удобнее использовать в качестве такого элемента резистор.
Однако, если требуется существенное падение напряжения на
гасящем резисторе, то даже небольшие токи потребуют применения резистора большой мощности и,
соответственно, габаритов.

Конденсатор в цепях переменного тока не рассеивает энергию, а значит и не нагревается.
Почему? Потому что, как мы выяснили, ток и напряжение в конденсаторе смещены
относительно друг друга на 90^o. То есть в момент, когда напряжение максимально,
ток равен нулю, соответственно, и мощность равна нулю в этот момент (см. рис. 1). Работа не совершается,
нагрев не происходит.

Именно поэтому вместо резистора часто применяют конденсаторы.
Основной недостаток такого использования конденсатора заключается в том, что
при изменении тока в цепи изменяется и напряжение на нагрузке. Второй недостаток (по сравнению с применением трансформаторов) —
отсутствие гальванической развязки. По этим и другим причинам применение конденсаторов в качестве гасящих
элементов ограничено и используется обычно в тех случаях, когда сопротивление нагрузки
относительно стабильно. Например, в цепях питания нагревательных элементов.

Однако частотно-зависимые делители напряжения применяются очень широко. Свойства конденсаторов
используются, например, при создании различных фильтров и резонансных схем.

Частотный фильтр — это устройство, которое пропускает сигналы одной частоты и не пропускает другие.
Или наоборот — пропускает все частоты кроме одного диапазона. Работа частотных фильтров основана на способности конденсатора изменять ёмкостное сопротивление
в зависимости от частоты. Например, нам нужно подавить в усилителе фон переменного тока частотой
50 Гц. В таком случае можно использовать фильтр — схему из конденсаторов и резисторов,
которая будет подавлять сигнал с частотой 50 Гц и пропускать все остальные сигналы. Расчёт и
конструирование фильтров — занятие непростое и здесь не рассматривается.

Резонансные схемы используют резонанс, который возникает при последовательном или
параллельном включении конденсатора и катушки индуктивности. Поскольку сопротивление этих элементов зависит от
частоты, то при некоторой частоте общее сопротивление цепи будет максимальным, а при некоторых —
минимальным. Эти эффекты и используются в резонансных схемах. Например, резонанс используется
в радиоприёмниках при настройке на станцию.

как определить напряжение, вольтаж конденсаторов

Конденсатор – один из самых важных элементов электрической цепи. Он накапливает внутри себя электрический заряд и передает его другим элементам электрической цепи. О том, что представляет собой конденсатор и как определить на нём напряжение, рассказывается ниже.

Что такое конденсатор

Конденсатор – это двухполюсное устройство, имеющее постоянное или переменное емкостное значение и малую проводимость. Это элемент цепи, служащий накопителем энергии, что формирует электрическое поле; пассивный электронный компонент любого подключения. Содержит в себе несколько металлических электродов или обкладок, между которыми находится диэлектрик. Может иметь пакетную, трубчатую, дисковую, литую секционированную и рулонную конструкцию.

Конденсатор

Конденсатор имеет в плоскую или цилиндрическую форму. Плоское устройство состоит из относительно далеко расположенных друг от друга пластин, а цилиндрический –  из нескольких полых коаксиальных проводящих цилиндров с радиусами r1 и r2 (основное условие – r1 > r2).

Термин из учебного пособия

Характеристики конденсаторов

Главной характеристикой прибора является емкость, то есть, количество энергии, которое он может накопить в виде электронов. Общее число зарядов на пластинах определяет величину емкости конденсатора.

Обратите внимание! Емкость зависит от площади обкладок и диэлектрической проницаемости материала. Чем больше площадь конденсаторных пластин, тем больше заряженных частиц могут поместиться на них и тем выше показатель емкости.

Емкость

Из важнейших характеристик также можно назвать удельную емкость, плотность, номинальную силу заряда и полярность. Из дополнительных параметров можно указать количество фаз, метод установки конденсатора, рабочую температуру, активный электрический ток переменного или постоянного типа.

В электротехнике существуют также понятия негативных факторов, искажающих рабочие свойства колебательного контура. К ним относятся электрическое сопротивление и эквивалентная последовательная индуктивность. В качестве примера негативного критерия можно привести показатель, показывающий падение заряда после отключения электричества.

В чем измеряется напряжение конденсаторов

Напряжение отражается на корпусе оборудования и показывает то, при какой силе энергии оно работает. Измеряется напряжение конденсаторов в фарадах. Это единица, названная в честь Майкла Фарадея. Один фарад – это кулон, или заряд, прошедший через проводник за одну секунду при силе тока в один ампер. Как правило, фарады и кулоны не используются для измерения на практике, потому что чаще применяются дробные величины – микро-, нано- и пикофарады.

Измерение силы заряда двухполюсника

Что влияет на напряжение конденсаторов

Чтобы возник заряд, двухполюсник должен быть подключен к электрической цепи с постоянным током. Для этой цели может быть использован генератор, каждый из которых обладает внутренним сопротивлением. Во время короткого замыкания заряжается прибор, и между его обкладками появляется заряд. Поэтому на вольтаж конденсаторов влияет внутреннее сопротивление. Также, на него оказывают влияние температурные колебания – чем выше нагрев, тем ниже номинальный показатель напряжения.

Важно! На напряжение конденсаторов оказывает большое влияние ток утечки. Вопреки сложившемуся мнению, диэлектрик пропускает небольшое количество электротока, что приводит к потере начального заряда с течением времени, и напряжение в итоге незначительно падает.

Описание влияния на показатель

Как вычислить напряжение и вольтаж

Чтобы определить мощность, напряжение и вольтаж двухполюсников, можно использовать мультиметр или специальную формулу для теоретических расчётов. Чтобы проверить мультиметром силу заряда и количество вольт, необходимо вставить щупы в измеряемое оборудование, переключить прибор на режим омметра, нажать на соответствующую клавишу проверки и получить запрашиваемый показатель.

Обратите внимание! Сила заряда при проверке быстро падает, поэтому правильной будет та цифра, которая появилась на индикаторе мультиметра в самом начале измерений.

Вычисление мультиметром

Формулы измерения напряжения конденсаторов

Численный показатель напряжения равен электродвижущей силе. Также он определяется, как емкость, поделенная на величину заряда, исходя из формулы определения его величины. В соответствии с ещё одним правилом, напряжение равно току утечки, поделенному на изоляционное сопротивление.

Основные формулы для расчета

В целом, конденсатор – это устройство для аккумулирования электрического заряда, состоящее из нескольких пластинчатых электродов, которые разделены с помощью диэлектриков. Устройство имеет электрод, измеряемый в фарадах. Один фарад равен одному кулону. На напряжение устройства влияет ток, показатели которого можно вычислить через описанные выше формулы.

Как подобрать конденсатор для однофазного электродвигателя или трехфазного

Содержание

1. Что такое конденсатор
2. Как подобрать конденсатор для трехфазного электродвигателя
3. Как подобрать конденсатор для однофазного электродвигателя
4. Заключение

Что делать, если требуется подключить двигатель к источнику, рассчитанному на другой тип напряжения (например, трехфазный двигатель к однофазной сети)? Такая необходимость может возникнуть, в частности, если нужно подключить двигатель к какому-либо оборудованию (сверлильному или наждачному станку и пр. ). В этом случае используются конденсаторы, которые, однако, могут быть разного типа. Соответственно, надо иметь представление о том, какой емкости нужен конденсатор для электродвигателя, и как ее правильно рассчитать.

Что такое конденсатор

Конденсатор состоит из двух пластин, расположенных друг напротив друга. Между ними помещается диэлектрик. Его задача – снимать поляризацию, т.е. заряд близкорасположенных проводников.

Существует три вида конденсаторов:

• Полярные. Не рекомендуется использовать их в системах, подключенных к сети переменного тока, т.к. вследствие разрушения слоя диэлектрика происходит нагрев аппарата, вызывающий короткое замыкание.
• Неполярные. Работают в любом включении, т.к. их обкладки одинаково взаимодействуют с диэлектриком и с источником.
• Электролитические (оксидные). В роли электродов выступает тонкая оксидная пленка. Считаются идеальным вариантом для электродвигателей с низкой частотой, т. к. имеют максимально возможную емкость (до 100000 мкФ).

Как подобрать конденсатор для трехфазного электродвигателя

Задаваясь вопросом: как подобрать конденсатор для трехфазного электродвигателя, нужно принять во внимание ряд параметров.

Чтобы подобрать емкость для рабочего конденсатора, необходимо применить следующую расчетную формулу: Сраб.=k*Iф / U сети, где:

• k – специальный коэффициент, равный 4800 для подключения «треугольник» и 2800 для «звезды»;
• Iф – номинальное значение тока статора, это значение обычно указывается на самом электродвигателе, если же оно затерто или неразборчиво, то его измеряют специальными клещами;
• U сети – напряжение питания сети, т.е. 220 вольт.

Таким образом вы рассчитаете емкость рабочего конденсатора в мкФ.

Еще один вариант расчета – принять во внимание значение мощности двигателя. 100 Ватт мощности соответствуют примерно 7 мкФ емкости конденсатора. Осуществляя расчеты, не забывайте следить за значением тока, поступающего на фазную обмотку статора. Он не должен иметь большего значения, чем номинальный показатель.

В случае, когда пуск двигателя производится под нагрузкой, т.е. его пусковые характеристики достигают максимальных величин, к рабочему конденсатору добавляется пусковой. Его особенность заключается в том, что он работает примерно в течение трех секунд в период пуска агрегата и отключается, когда ротор выходит на уровень номинальной частоты вращения. Рабочее напряжение пускового конденсатора должно быть в полтора раза выше сетевого, а его емкость – в 2,5-3 раза больше рабочего конденсатора. Чтобы создать необходимую емкость, вы можете подключить конденсаторы как последовательно, так и параллельно.

Как подобрать конденсатор для однофазного электродвигателя

Асинхронные двигатели, рассчитанные на работу в однофазной сети, обычно подключаются на 220 вольт. Однако если в трехфазном двигателе момент подключения задается конструктивно (расположение обмоток, смещение фаз трехфазной сети), то в однофазном необходимо создать вращательный момент смещения ротора, для чего при запуске применяется дополнительная пусковая обмотка. Смещение ее фазы тока осуществляется при помощи конденсатора.

Итак, как подобрать конденсатор для однофазного электродвигателя?

Чаще всего значение общей емкости Сраб+Спуск (не отдельного конденсатора) таково: 1 мкФ на каждые 100 ватт.

Есть несколько режимов работы двигателей подобного типа:

• Пусковой конденсатор + дополнительная обмотка (подключаются на время запуска). Емкость конденсатора: 70 мкФ на 1 кВт мощности двигателя.
• Рабочий конденсатор (емкость 23-35 мкФ) + дополнительная обмотка, которая находится в подключенном состоянии в течение всего времени работы.
• Рабочий конденсатор + пусковой конденсатор (подключены параллельно).

Если вы размышляете: как подобрать конденсатор к электродвигателю 220в, стоит исходить из пропорций, приведенных выше. Тем не менее, нужно обязательно проследить за работой и нагревом двигателя после его подключения. Например, при заметном нагревании агрегата в режиме с рабочим конденсатором, следует уменьшить емкость последнего. В целом, рекомендуется выбирать конденсаторы с рабочим напряжением от 450 В.

Как выбрать конденсатор для электродвигателя – вопрос непростой. Для обеспечения эффективной работы агрегата нужно чрезвычайно внимательно рассчитать все параметры и исходить из конкретных условий его работы и нагрузки.

Разделительный конденсатор

Создание связи по переменному току необходимо, чтобы запретить протекание постоянного тока между определенными точками схемы и обес­печить при этом свободное прохождение переменного тока. Электрон­ные компоненты, обеспечивающие связь по переменному току, например конденсаторы или трансформаторы, обычно устанавливаются на входе и выходе усилителя. Таким образом, заданный режим покоя (статический режим) транзистора не влияет на статические режимы предыдущего и последующего каскадов.

В схеме, приведенной на рис. 23.1. конденсатор связывает точки А и В по переменному току, aR – нагрузочный резистор. Для постоянного тока конденсатор действует как разрыв цепи, полностью блокируя протекание постоянного тока между точками А и В. По этой причине конденсатор связи называют блокировочным или разделительным конденсатором.

Удовлетворительное качество связи по переменному току достигается только в том случае, когда реактивное сопротивление Х_с конденсатора на рабочей частоте много меньше сопротивления нагрузочного резистора R. Тогда на этом конденсаторе падает (и теряется) очень малая часть напряжения входного сигнала. Например, если V_вх = 100 мВ, то связь по переменному току можно считать удовлетворительной, когда выходное напряжение          V_вых = 95 мВ и на разделительном конденсаторе падает 5 мВ (5%). Требуемую емкость разделительного конденсатора определяют два фактора.

1.                   Сопротивление загрузочного резистора R. Считая, что удовлетвори­тельная связь но переменному току достигается, когда Х_с = R/20, для R = 1 кОм получаем Х_с = 50 Ом.

Рис. 23.1. Установка разделительного                                      Рис. 23.2.  Влияние развязывающего конденсатора.                                                                          конденсатора.

Указаны потен­циалы точки А без развязывающего конденсатора (а) и с развязывающим конденсатором (б).

Предположим, что рабочая частота f = 300 Гц. Поскольку Х_c = 1/2πfC₁, то

Если сопротивление нагрузочного резистора увеличить до 100 кОм, то Х_c= R/20 = 1/20·100 = 5 кОм

Таким образом, если сопротивление нагрузочного резистора увеличить в 100 раз (с 1 кОм до 100 кОм), то емкость разделительного конденсатора можно уменьшить в той же пропорции (с 10 мкФ до 0,1 мкФ).

Вообще, чем больше сопротивление нагрузочного резистора, тем мень­ше требуемая емкость разделительного конденсатора.

2. Рабочая частота. Возьмем в качестве исходного вышеприведенный пример, где удовлетворительная связь по переменному току достига­лась при С = 10 мкФ и R = 1 кОм для f = 300 Гц.

Если теперь рабочую частоту увеличить до 300 кГц, то с учетом усло­вия Хс = R/20 = 50Ом получаем

Таким образом, если рабочую частоту увеличить в 1000 раз (с 300 Гц до 300 кГц), то емкость разделительного конденсатора можно уменьшить в 1000 раз (с 10 мкФ до 0,01 мкФ).

Вообще, при заданном сопротивлении нагрузочного резистора для низ­ких рабочих частот необходимо использовать разделительные конденсаторы большой емкости, и наоборот.

Когда речь идет о рабочем диапазоне частот, емкость разделительно­го конденсатора определяется наименьшей частотой из этого диапазона. Обращаясь к рассмотренным выше примерам, мы видим, что конденсатор) емкостью 10 мкФ в соответствии с расчетами обеспечивает адекватную связь по неременному току при частоте 300 Гц и тем более при частоте 300 кГц. .1) в точке А постоянный потенциал равен 10 В, а переменный потенциал сигнала — 10 мВ. Кон­денсатор, представляющий собой разрыв цени для постоянного тока, не оказывает никакого влияния на постоянный потенциал точки А, Одна­ко если емкость этого конденсатора такова, что па рабочей частоте его реактивное сопротивление существенно меньше сопротивления резистора R, то конденсатор будет эффективно осуществлять короткое замыкание сигнала переменного тока на землю. Таким образом, потенциал точки А по переменному току будет равен нулю. ёмкость конденсатора С, обес­печивающая удовлетворительную развязку, определяется сопротивлени­ем резистора R и рабочей частотой — но тем же самым формулам, ко­торые использовались для расчета емкости разделительного конденса­тора.

Усилитель с ДС-связью

На рис. 23.3 приведена схема усилителя с ДС-связыо, где С} — входной разделительный конденсатор. Емкость этого конденсатора должна быть сравнительно велика в силу низкого входного сопротивления транзистора в схеме с ОЭ (это сопротивление становится еще меньше за счет шунтиро-вания входа, усилителя резистором R^}. связывает выход усилителя с нагрузкой или следующим каскадом, его емкость сравнима с емкостью конденсатора Ci. Типичные значения емкостей разделитель-ьшх конденсаторов следующие:

для звуковых частот:

для радиочастот:

Рис. 23.3. Усилитель с RC-связью с

развязывающим конденсатором С₃ в цепи эмиттера.            Рис. 23.4. Инвертирование (измене­ние на 180°) фазы сигнала в усили­теле с ОЭ.

Развязывающий конденсатор

Отрицательная обратная связь через резистор R₄ в усилителе на рис. 23.3, с одной стороны, обеспечивает необходимую стабильность усилителя по постоянному току, а с другой стороны, снижает его коэффициент усиле­ния до очень малой величины (2-3). Снижение коэффициента усиления связано с действием отрицательной обратной связи по переменному току, обусловленной падением напряжения сигнала на резисторе R₄. Для устранения этой отрицательной обратной связи по переменному току и одновременного сохранения стабильности по постоянному току применя­ется эмиттерный развязывающий конденсатор С₃.

Типичные значения емкости эмиттерного развязывающего конденса­тора того же порядка, что и для разделительного конденсатора.

Усиление

Схема, приведенная на рис. 23.3, является законченной схемой однокас­кадного усилителя с ОЭ. При подаче сигнала (например, синусоидальной формы) на вход усилителя этот сигнал передается через конденсатор С₁ на базу транзистора. В начале положительного полупериода входного сигнала потенциал базы возрастает относительно потенциала эмиттера, напряжение V_BEувеличивается, ток эмиттера I_e, а с ним и ток коллек­тора I_c, возрастают, в результате уменьшается напряжение на коллекторе V_c. Это означает, что положительному полу периоду входного сигнала со­ответствует отрицательный полупериод выходного сигнала. С другой сто­роны, отрицательному полупериоду входного сигнала соответствует поло­жительный полупериод изменения коллекторного напряжения. Таким образом, сигналы на входе и выходе усилителя противофазны, как по­казано на рис. 23.4. Усиление сигнала происходит в силу того, что очень малый размах напряжения V_BEприводит к большому размаху тока транзистора, который, проходя через резисторR₃, вызывает большой размах коллекторного напряжения.

Линия нагрузки

Выходные характеристики транзистора дают общее представление о рабо­те транзистора. Для того чтобы получить представление о работе транзи­стора в конкретной схеме, нужно начертить линию нагрузки. На рис. 23.5 изображены семейство выходных характеристик транзистора, работаю­щего в схеме усилителя на рис. 23.3, и линия нагрузки XY.

Прежде чем проводить линию нагрузки, нужно сначала зафиксиро­вать две точки, попадающие на эту линию. Лучше всего использовать точку Х на оси х, где ток I_c = 0, и точку Y на оси у, где V_c = 0. Через эти две точки проводится прямая линия — линия нагрузки. Предполагается, что V_c = V_CE.

Точка X. В этой точке ток транзистора I_c = 0. Транзистор находится в состоянии отсечки. Следовательно, напряжение на коллекторе V_c = V_CC.

Точка Y. Здесь коллекторное напряжение V_c = 0. Подставляя V_c = 0 в уравнение               V_CC = V_c + V_R3, получаем V_CC = V_R3. Но V_R3 = I_c R₃, поэтому V_CC = I_c R₃. Следовательно,

I_c = V_CC / R₃.

Рис. 23.5. Линия нагрузки.

Для величин, указанных на рис. 23.3, положение точек Х и Y будет определяться следующими параметрами:

Точка Х          I_c = 0, V_c = V_CC = 10 В.

Точка Y         V_c = 0, I_c = V_CC/ R₃ = 10/3,3 = 3 мА.

Таким образом, XY — это линия нагрузки для нагрузочного резистора сопротивлением        R₃ = 3,3 кОм.

При использовании нагрузочного резистора меньшего номинала (2,2 кОм) получаем линию нагрузки ХY_a. Положение точки Х не изменяется по сравнению с предыдущим случаем, поскольку напряжение V_СС остается тем же самым — 10 В. Для точки Y_b получаем I_c = V_CC / R₃ = 10 В/2,2кОм = 4,55мА.

Нагрузочному резистору более высокого номинала, например 4,9 кОм, соответствует линия нагрузки ХY_b с точкой Y_b при I_c = 10 В/4, 9 кОм ≈ 2 мА.

Графический анализ

Процесс усиления сигнала осуществляется вдоль линии нагрузки и может быть представлен графически, как показано на рис. 23.6. Точка Q есть статическая рабочая точка, представляющая режим работы усилителя по постоянному току, т. е. в отсутствие сигнала. Рабочая точка задает смещение транзистора в статическом режиме. В рассматриваемом случае смещение определяется следующими величинами:

I_b = 20 мкА, I_c = 1,5 мА, V_c = 5 В.

Рис. 23.6. Графическое представление работы усилителя.

Рис. 23.7. Перегрузка усилителя, приводящая к ограничению выходного сиг­нала.

При подаче сигнала базовый ток изменяется по синусоиде с амплитудой 20 мкА (от 0 до 40 мкА). Это приводит к изменению коллекторного тока I_c с размахом 2,8 мА и изменению коллекторного напряжения с размахом около 9 В.

С одной стороны размах входного сигнала ограничен линией I_b = 0, соответствующей отсечке транзистора (точка М на линии нагрузки), а с другой стороны – линией I_b = 40 мкА, соответствующей насыщению транзистора (точка N на линии нагрузки). Для рассматриваемого уси­лителя рабочая точка Q выбирается в середине линии нагрузки. В этом случае при подаче сигнала с амплитудой 20 мкА на базу транзистора базовый ток изменяется в пределах от 0 до 40 мкА, обеспечивая максимальную величину неискаженного выходного сигнала.

Рис. 23.8. Графическое представление работы усилителя с использованием пе­редаточной характеристики.

Любая попыт­ка превышения этой величины входного сигнала приводит к искажению формы выходного сигнала. Это хорошо видно на рис. 23.7, где иллюстри­руется случай перегрузки усилителя с результирующим ограничением синусоидального сигнала. Входной и выходной сигналы могут быть так­же представлены графически с помощью передаточной характеристики транзистора (рис. 23.8). Рабочий диапазон усилителя ограничен линей­ным участком характеристики передачи, выход за границы этого участка приводит к искажениям.

Добавить комментарий

[Емкость] Это слишком подробно о емкости

Ключевые слова:Пленочный конденсатор，Электролитический конденсатор，Керамические конденсаторы，Алюминиевые электролитические конденсаторы，Танталовый конденсатор，Предохранительный конденсатор

В предыдущей статье были представлены некоторые знания индукторов. В этой статье мы поговорим о конденсаторах, познакомимся с конденсаторами и узнаем, как их выбрать.

Во-первых, основной принцип емкости

Конденсатор, наряду с индуктивностью и сопротивлением, являются тремя основными пассивными устройствами в электронике, функция конденсатора — хранить электрическую энергию в форме энергии электрического поля.

Возьмите конденсатор с параллельными пластинами в качестве примера, кратко представьте основной принцип емкости

Как показано на рисунке выше, напряжение постоянного тока прикладывается к двум металлическим пластинам, которые расположены близко друг к другу и параллельны друг другу (диэлектрик между пластинами), после стабилизации металлическая пластина, подключенная к положительному полюсу напряжения, будет показывать определенное количество положительного заряда, и Металлическая пластина, подключенная к отрицательному полюсу напряжения, будет показывать равное количество отрицательного заряда, таким образом, между двумя металлическими пластинами будет образовываться электростатическое поле, поэтому конденсатор накапливает электрическую энергию в форме энергии электрического поля, а накопленный заряд равен Q.

Количество Q заряда, хранящегося в конденсаторе, связано с напряжением U и его собственным свойством (то есть значением C емкости), то есть Q = U * C. Согласно теоретическому выводу, формула емкости конденсатора с параллельными пластинами имеет следующий вид:

Идеальный конденсатор содержит диэлектрик (Dielectric), без свободного заряда невозможно произвести движение заряда, то есть тока, так как же взаимодействует идеальный конденсатор?

сообщаться

Напряжение может образовывать электрическое поле внутри конденсатора, а переменное напряжение будет создавать переменное электрическое поле. Согласно закону полного тока в уравнениях Максвелла:

То есть либо ток, либо изменяющееся электрическое поле могут генерировать магнитное поле.Максвелл определяет ε (∂E / ∂t) как ток смещения, который является эквивалентным током и представляет изменение электрического поля. (Здесь ток представляет собой плотность тока, т.е.J)

Пусть переменное напряжение синусоидально, то есть:

Фактический ток смещения равен плотности тока, умноженной на площадь:

Следовательно, емкостное реактивное сопротивление конденсатора составляет 1 / ω C. Когда частота высокая, емкостное реактивное сопротивление будет очень маленьким, то есть высокой частотой.

Следующая картина используетсяANSYS HFSSИмитация изменения электромагнитного поля внутри конденсатора с параллельными пластинами.

Изменения электрического поля в поперечном сечении (анимация GIF, кажется, щелкает для просмотра)

Продольное изменение магнитного поля (GIF движущееся изображение, кажется, нажмите для просмотра)

То есть, когда конденсатор подключен к переменному току, внутренние электрические и магнитные поля преобразуются друг в друга.

Блокировка постоянного тока

Напряжение постоянного тока не изменяется со временем, ток смещения ε (∂E / ∂t) равен 0, и компонент постоянного тока не может пройти через него.

Эквивалентная модель фактической емкости

Характеристики фактического конденсатора неидеальны и имеют некоторые паразитные эффекты, поэтому для представления фактического конденсатора требуется более сложная модель. Обычно используются следующие эквивалентные модели:

· Поскольку среда не является абсолютно изолированной, существует определенная проводимость, поэтому в любом конденсаторе присутствует ток утечки, который представлен эквивалентным сопротивлением Rleak;

· Проводники и электроды конденсатора имеют определенное удельное сопротивление, и существуют определенные диэлектрические потери диэлектрика, эти потери равномерно выражены как эквивалентное последовательное сопротивление ESR;

· В проводнике конденсатора имеется определенная индуктивность, которая оказывает большее влияние на высоких частотах, выраженная в эквивалентной последовательной индуктивности ESL;

Кроме того, в любой среде имеется определенный гистерезис, то есть после быстрой разрядки конденсатора напряжение внезапно отключается, и конденсатор восстанавливает часть заряда, которая представлена ​​последовательной RC-цепью.

· В большинстве случаев основной проблемой являются ESR и ESL конденсатора.

Фактор качества

Подобно индуктивности, можно определить добротность конденсатора, которая является значением Q, которое является отношением накопленной мощности конденсатора к потерям мощности:

Qc=(1/ωC)/ESR

Значение Q является относительно важным параметром для высокочастотной емкости.

Частота саморезонанса

Из-за существования ESL, резонансный контур формируется вместе с C, и его резонансная частота является собственной резонансной частотой конденсатора. Перед собственной резонансной частотой импеданс конденсатора становится меньше с увеличением частоты, после собственной резонансной частоты импеданс конденсатора становится меньше с увеличением частоты, что является индуктивным, как показано на следующем рисунке:

Изображение из спецификации EMK042BJ332MC-W Taiyo Yuden

Во-вторых, процесс и структура конденсатора

Согласно формуле емкости, в дополнение к размеру конденсатора, размер емкости связан с диэлектрической проницаемостью (диэлектрической проницаемостью) диэлектрика. Производительность диэлектрика влияет на производительность конденсатора, и разные носители подходят для разных производственных процессов.

Для сравнения производительности обычных носителей, вы можете обратиться к техническому документу AVX.

AVX Dielectric Comparison Chart

Процесс изготовления конденсаторов можно разделить на три основные категории:

· Пленочный конденсатор

· Электролитический конденсатор

· Керамический конденсатор (Ceramic Capacitor)

2.1 пленочный конденсатор

Пленочный конденсатор обычно переводится как пленочный конденсатор в Китае, но он отличается от тонкопленочного процесса. Чтобы отличить, лично подумайте, что это хороший момент, чтобы напрямую перевести в емкость мембраны.

Тонкопленочные конденсаторы изготавливают путем наматывания двух пластиковых пленок с металлическими электродами в цилиндрическую форму и, наконец, заключают в капсулу, поскольку его среда обычно представляет собой пластиковый материал, также известный как конденсаторы из пластиковой пленки, его внутренняя структура примерно такая, как показано на следующем рисунке:

Исходное изображение изВикипедия

Тонкопленочные конденсаторы можно разделить на две категории в зависимости от процесса изготовления их электродов:

Металлическая пленка конденсатора (пленка / фольга)

Для пленочных конденсаторов с металлической фольгой в пластиковую пленку в качестве электрода непосредственно добавляется тонкая металлическая фольга, обычно алюминиевая фольга, этот процесс относительно прост, электрод легко выводится и может использоваться в приложениях с большим током.

Металлизированная пленка

Металлизированные тонкопленочные конденсаторы в процессе вакуумного осаждения (вакуумного осаждения) на поверхности пластиковой пленки в качестве электрода непосредственно образуется тонкая металлическая поверхность, поскольку толщина электрода очень мала, его можно намотать в конденсатор большей емкости, но из-за толщины электрода Тонкий, подходит только для небольших текущих случаев.

Металлизированный пленочный конденсатор выполняет функцию самовосстановления, то есть, если внутри конденсатора есть точка пробоя, в поврежденном месте произойдет лавинный эффект, и испаренный металл сформирует испаренную сборочную поверхность в поврежденном месте, короткое замыкание исчезнет, ​​и поврежденная точка будет восстановлена. Поэтому надежность металлизированного пленочного конденсатора очень высока, нет короткого замыкания;

Существует два метода намотки для пленочных конденсаторов: метод индукционной намотки перед намоткой, провод подключен к внутреннему электроду, в методе неиндуктивной намотки будут использованы позолота и другие процессы после намотки, внутренние электроды на двух торцах Подключенный к одной стороне, так что можно получить меньший ESL, и высокочастотные характеристики должны быть выше, кроме того, имеется неиндуктивный конденсатор многослойного типа, структура аналогична MLCC, производительность выше, и легко изготовить пакет SMD.

Диэлектрический материал самых ранних пленочных конденсаторов был пропитан бумагой, маслом или парафином, изобретенным британским д’Фицджеральдом в 1876 году, рабочее напряжение было очень высоким. В настоящее время используется больше пластических материалов, то есть высокомолекулярных полимеров. В соответствии с различными диэлектрическими материалами, в основном, существуют следующие типы:

Наиболее часто используемые пленочные конденсаторы — это полиэфирные пленочные конденсаторы, которые дешевле. Благодаря своей более высокой диэлектрической проницаемости размер может быть уменьшен, а вторым — полипропиленовые пленочные конденсаторы. Другие материалы включают политетрафторэтилен, полистирол, поликарбонат и так далее.

Характеристика тонкопленочного конденсатора заключается в том, что он может достигать большой емкости и высокого выдерживаемого напряжения, но из-за технологических факторов его размер трудно сделать небольшим, и он обычно используется в сильных электрических цепях, таких как промышленность силовой электроники, в основном выглядит так:

Скриншот наHigh Power Capacitors For Power Electronics — AVX

Расширенное чтение:

· Film capacitor

· Capacitors, Part 4 «Film Capacitors [1]»

· AVX PRODUCT GUIDE FOR MEDIUM & HIGH POWER FILM CAPACITORS

2.

2 Электролитический конденсатор (электролитический конденсатор)

Электролитические конденсаторы используют металл в качестве анода и образуют пленку оксида металла на поверхности в качестве среды, затем влажный или твердый электролит и металл в качестве катода. Электролитические конденсаторы в основном полярные. Если металл со стороны катода также имеет оксидную пленку, это неполярный электролитический конденсатор.

В зависимости от используемого металла, в настоящее время существует только три типа электролитических конденсаторов:

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Алюминиевые электролитические конденсаторы должны быть наиболее широко используемыми и самыми дешевыми электролитическими конденсаторами. Базовая структура показана на следующем рисунке:

Процесс производства алюминиевых электролитических конденсаторов примерно такой:

· Во-первых, алюминиевая фольга образует очень шероховатую поверхность с помощью электрического травления (травления), которое увеличивает площадь поверхности электрода и может увеличить емкость;

· Анод окисляется химическим методом с образованием оксидного слоя в качестве среды;

· Затем добавьте слой электролитической бумаги между анодной алюминиевой фольгой и катодной алюминиевой фольгой в качестве изоляции, а также нажмите и обмотайте;

· Наконец, заполните электролит, электролитическая бумага поглотит электролит, и пакет отлит в форму.

Наиболее широко используются электролитические конденсаторы с влажным алюминием, в которых используется электролит, их преимуществами являются большая емкость, высокое номинальное напряжение и низкая стоимость, а также очевидны их недостатки: короткий срок службы, плохие температурные характеристики, а также большие ESR и ESL. Для разработки аппаратного обеспечения необходимо избегать чрезмерного проектирования. В случае удовлетворения требований к производительности самым большим преимуществом является дешевизна.

На следующем изображении представлены алюминиевые электролитические конденсаторы Kemet, на которых примерно видны характеристики алюминиевых электролитических конденсаторов.

Оригинальный скриншотВеб-сайт КЕМЕТ

В алюминиевых электролитических конденсаторах также используются твердые материалы, такие как диоксид марганца, проводящий полимер и т. Д .; структура полимерных алюминиевых электролитических конденсаторов примерно такая, как показано на следующем рисунке:

Исходное изображение изPolymer Aluminum Electrolytic Capacitors — Murata

Полимерно-алюминиевый электролитический конденсатор имеет меньшую ESR, более стабильную величину емкости и хорошую переходную характеристику, поскольку это твердотельное состояние, сопротивление удару лучше, чем у мокрого типа, можно изготовить меньшую SMD-упаковку. Конечно, мокрые алюминиевые электролитические конденсаторы также могут быть упакованы в SMD, но большинство из них выглядят так:

Картинки из фотографий Baidu

Упаковка полимерных алюминиевых электролитических конденсаторов выглядит следующим образом:

Фотографии изВеб-сайт Мурата

Расширенное чтение:

· Polymer Capacitor Basics (Part 1): What Is a Polymer Capacitor?

· Polymer Capacitor Basics (Part 2): What Is a Polymer Capacitor?

Танталовые электролитические конденсаторы

Наиболее широко используемым танталовым электролитическим конденсатором должен быть диоксид марганца в качестве твердого электролита, в основном такой:

Фото отSolid Tantalum MnO2 Capacitors

Внутренняя структура твердого танталового электролитического конденсатора примерно такая, как показано на рисунке ниже:

Исходное изображение изVishay Техническая документация

Отношение танталовых конденсаторов к алюминиевым электролитическим конденсаторам заключается в том, что диэлектрическая проницаемость оксида тантала (пентаоксида тантала) намного выше, чем у оксида алюминия (оксида алюминия). При том же объеме емкость танталовых конденсаторов выше, чем у алюминиевых электролитических конденсаторов Больше. Танталовые конденсаторы имеют более длительный срок службы и более стабильные электрические характеристики.

Конденсаторы тантала также используют проводящий полимер (Conductive Polymer) в качестве электролита, структура аналогична конденсатору тантала диоксида марганца на приведенном выше рисунке, то есть диоксид марганца заменен проводящим полимером, проводимость полимера выше, чем у диоксида марганца, Это снизит СОЭ.

Существуют также мокрые танталовые конденсаторы, которые характеризуются очень большой емкостью, высоким выдерживаемым напряжением и низким током утечки постоянного тока, которые в основном используются в военных и аэрокосмических областях. Влажные танталовые конденсаторы выглядят так:

Скриншот наVishay Техническая документация

Расширенное чтение:

· Guide for Tantalum Solid Electrolyte Chip Capacitors with Polymer Cathode

· Wet Electrolyte Tantalum Capacitors

Ниобиевые электролитические конденсаторы

Ниобиевые электролитические конденсаторы похожи на танталовые электролитические конденсаторы в том, что ниобий и его оксиды заменяют тантал, диэлектрическая проницаемость оксида ниобия (пятиокиси ниобия) выше, чем у оксида тантала (пятиокиси тантала), производительность конденсаторов ниобия более стабильна Более высокая надежность.

AVX имеетНиобий конденсатор серии продуктов, Внешний вид танталового конденсатора на основе диоксида марганца желтый, а внешний вид на конденсаторе ниобия оранжево-красный, примерно так:

Фото отВеб-сайт AVX

Расширенное чтение:

· Tantalum Polymer and Niobium OxideCapacitors

· OxiCap® — niobium oxide capacitor

Сравнительная таблица электролитических конденсаторов, данные поступают изВикипедия,только для справки.

Расширенное чтение:

· Electrolytic capacitor

2.3 Керамический конденсатор (Керамический конденсатор)

Керамические конденсаторы используют керамические материалы в качестве диэлектрических материалов. Существует много типов керамических материалов с различными диэлектрическими постоянными и стабильностью, которые подходят для различных случаев.

Керамические конденсаторы в основном включают в себя следующее:

Керамический дисковый конденсатор

Основным преимуществом керамических конденсаторов является то, что они могут выдерживать высокое напряжение и обычно используются в качестве предохранительных конденсаторов, которые могут выдерживать переменное напряжение 250 В переменного тока. Его внешний вид и структура показаны ниже:

Оригинальная картина из двух расширенных чтений в этом разделе

Расширенное чтение:

· Capacitors | DE1 series lineup

· Ceramic Capacitor

Многослойный керамический конденсатор

Многослойные керамические конденсаторы, то есть MLCC, чиповые многослойные керамические конденсаторы в настоящее время являются наиболее широко используемыми типами конденсаторов в мире, их стандартизированная упаковка и небольшие размеры подходят для автоматизированного производства микросхем высокой плотности.

Автор, то есть материнская плата, которую я разработал сам, фотографии, которые я сделал, добавили художественные эффекты, изображения и контент без ссылки и источника в основном нарисованы или сделаны мной, а остальными можно пренебречь. Добавлено, многие из указанных картинок переработаны мной, например, перевод или объединение нескольких картинок и т. Д. Инструмент очень EXCEL + скриншот.

Внутренняя структура многослойного керамического конденсатора показана ниже:

Исходное изображение изSMD MLCC for High Power Applications — KEMET

Процесс производства многослойных керамических конденсаторов показан на рисунке ниже:

Исходное изображение изCapacitors, Part 2 «Ceramic Capacitors [1]»

Поскольку многослойная керамика должна быть спечена для формирования интегрированной структуры, многослойные керамические конденсаторы в свинцовых упаковках также называют монолитными конденсаторами.

вРазговор об индуктивностиМногослойный керамический процесс и процесс тонкой пленки также были введены. Технология тонких пленок является более продвинутой с точки зрения производительности или управления процессом, и может точно контролировать электрические и физические свойства устройства. Таким образом, производительность тонкопленочных конденсаторов выше, минимальный допуск может составлять 0,05 пФ, а допуск может составлять 0,01 пФ, что намного лучше, чем у обычного MLCC, как и у серии Murata GJM, минимальный допуск — 0,1 пФ, допуск обычно — все Он составляет 0,05 пФ, поэтому тонкопленочные конденсаторы можно использовать в радиочастотных полях с более высокими требованиями, AVX имеетAccu-P®серии.

Расширенное чтение

· Thin Film Capacitor — AVX

· Ceramic capacitor

· BME and PME Ceramic’s Hidden Property — KEMET

Классификация керамических носителей

Согласно EIA-198-1F-2002, керамические носители в основном делятся на четыре категории:

Class I：Диэлектрическая проницаемость керамики с температурной компенсацией в основном низкая, не превышающая 200. Обычно это параэлектрическая среда (Paraelectric). При температуре, частоте и напряжении смещения диэлектрическая проницаемость относительно стабильна, а изменение невелико. Потери также очень низки, коэффициент рассеяния составляет менее 0,01.

Скриншот изMaterials Development for Commercial Multilayer Ceramic Capacitors，Page26

Наиболее стабильный характер, наиболее используемый конденсатор C0G, который является NP0. NP0 — это код, указанный в стандарте IEC / EN 60384-1, то есть отрицательный положительный ноль, то есть N и P используются для указания положительных и отрицательных отклонений.

Из-за низкой диэлектрической проницаемости емкость конденсатора C0G является относительно небольшой, которая может составлять до 0,1 мкФ. Упаковка 0402 обычно имеет максимум 1000 пФ.

Класс II, III: среди них температурная характеристика A-S относится к классу II, а диэлектрическая проницаемость составляет около нескольких тысяч. Температурная характеристика T-V относится к классу III, а диэлектрическая проницаемость может достигать 20000. Видно, что характеристики класса III более нестабильны. Согласно классификации МЭК, классы II и III относятся ко второй категории с высокой диэлектрической проницаемостью среды. Например, X5R и X7R являются конденсаторами класса II, которые широко используются для развязки блока питания, в то время как Y5V относится к конденсаторам класса III, производительность нестабильна, лично я чувствую, что сейчас не так много приложений.

Скриншот изMaterials Development for Commercial Multilayer Ceramic Capacitors，Page103

Значение емкости конденсаторов класса II и III может достигать нескольких сотен мкФ, но из-за высокой диэлектрической постоянной среды большинство из них представляют собой сегнетоэлектрическую среду (сегнетоэлектрик), а температурная стабильность плохая. Кроме того, диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрических сред будет уменьшаться при постоянном напряжении смещения.

вРазговор об индуктивностиВ статье вводится явление гистерезиса в ферромагнитных средах. Когда внутреннее магнитное поле превышает определенное значение, происходит магнитное насыщение, что приводит к снижению проницаемости. Аналогично для сегнетоэлектрических сред наблюдается гистерезис, когда внутреннее электрическое поле превышает При определенной величине происходит электрическое насыщение, в результате чего диэлектрическая проницаемость уменьшается.

Поэтому, когда напряжение смещения постоянного тока конденсаторов класса II и III превышает определенное значение, емкость будет значительно уменьшаться, как показано на следующем рисунке:

Источник изображенияGRM188R60J226MEA0 — Murata

Class IV：Процесс изготовления отличается от обычных керамических материалов: все внутренние керамические частицы представляют собой тонкий оксидный слой снаружи, а сердцевина — проводник. Конденсатор этого типа имеет большую емкость, но небольшое пробивное напряжение. Из-за нестабильной работы и больших потерь этих конденсаторов, они были в основном устранены.

Расширенное чтение:

· ECA-EIA-198-1-F-2002

· Materials Development for Commercial Multilayer Ceramic Capacitors

· Hysteresis in Piezoelectric and Ferroelectric Materials

Сводная таблица типов конденсаторов

Исходное изображение изВикипедия

Существует также тип суперконденсатора, который имеет очень большую емкость, может заменить батарею в качестве источника питания, а также может использоваться вместе с батареей. Суперконденсаторы заряжаются быстро, могут быть полностью заряжены и разряжены, и могут заряжаться до любого требуемого напряжения, если номинальное напряжение не превышено. В настоящее время существует множество применений: во многих городах Китая есть суперконденсаторные электрические шины, также есть применения в некоторых электронных продуктах, таких как некоторые приводные регистраторы, которые могут продолжать обеспечивать питание в течение нескольких дней.

Расширенное чтение:

· What Is a Supercapacitor (EDLC)?

· Murata Supercapacitor Technical Note

· Capacitor types

· Comparison of Multilayer Ceramic and Tantalum Capacitors

3. Применение и подбор конденсаторов

Выбор устройства на самом деле заключается в извлечении соответствующей информации из технических характеристик устройства, чтобы определить, соответствует ли оно дизайну продукта и требованиям к применению.

3.1 Обзор

В качестве элемента накопления энергии конденсатор может накапливать энергию. После отключения внешнего источника питания конденсатор также можно зарядить. Поэтому советы по безопасности необходимы. Некоторое электронное оборудование будет иметь опасность высокого напряжения внутри. Когда я был ребенком, я разбирал черно-белый телевизор дома. После разборки я увидел опасность высокого напряжения на кинескопе. В то время возник вопрос. Будет ли высокое напряжение без включения питания? После работы я снял несколько адаптеров питания, а послевкусие электричества было бесконечным . ..

Возвращаясь к теме, конденсатор накопителя энергии можно использовать следующим образом:

· Накопленная энергия может быть использована в качестве источника питания, например суперконденсатора;

· Хранить данные, широко используемые. Динамическая энергозависимая память (DRAM) использует встроенную конденсаторную матрицу для хранения данных: конденсатор равен 1, когда полностью заряжен, и 0, когда разряжен. Использование памяти в различных мобильных телефонах, компьютерах и серверах очень широко, поэтому индустрию памяти можно использовать в качестве флюгера для информационной индустрии.

Кроме того, конденсатор также можно использовать как:

Синхронизация: для зарядки и разрядки конденсатора требуется время. Его можно использовать в качестве таймера, а также в качестве цепи задержки. Наиболее распространенным является сброс задержки включения питания, некоторые микросхемы синхронизации, такие как NE556, могут генерировать треугольные волны.

· Источник резонанса: вместе с индуктивностью он образует резонансный контур LC, который генерирует сигнал с фиксированной частотой.

Конденсаторы также можно использовать как:

Разъединение электропитания

Разъединение блока питания должно быть наиболее широко используемым конденсатором.Большое количество конденсаторов размещается вокруг и сзади различных процессоров, SOC и ASIC для поддержания стабильного напряжения питания.

Во-первых, в схеме DCDC необходимо выбрать подходящий входной конденсатор и выходной конденсатор, чтобы уменьшить пульсацию напряжения. Соответствующие параметры должны быть рассчитаны.

Кроме того, как и рабочее время микросхемы, рабочий ток, необходимый в разные моменты времени, различен, поэтому для обеспечения стабильного рабочего напряжения также требуется большое количество развязывающих конденсаторов.

Блокировка сцепления

При проектировании схемы в некоторых случаях вы хотите передавать только сигнал переменного тока, но не хотите передавать сигнал постоянного тока. В этом случае вы можете использовать последовательный конденсатор для сопряжения сигнала.

Например, в многоступенчатых усилителях, чтобы предотвратить влияние смещения постоянного тока друг на друга, вычисление статической рабочей точки является сложным. Обычно между ступенями используется емкостная связь, так что каждая ступень статической рабочей точки может анализироваться независимо.

Например, высокоскоростные последовательные сигналы, такие как PCIE и SATA, обычно используют конденсаторы для связи по переменному току.

Обход фильтрации

Обход, как следует из названия, выводит нежелательные сигналы переменного тока на землю. Фильтрация на самом деле означает то же самое. В микроволновых радиочастотных схемах конструкция различных фильтров требует использования конденсаторов. Кроме того, как и в случае с электромагнитной совместимостью, для светодиодных индикаторов на интерфейсе к сигнальной линии добавляется конденсатор фильтра, что может повысить надежность теста на ESD.

3.2 Алюминиевый электролитический конденсатор

3.2.1 Алюминиевые электролитические конденсаторы (мокрые)

Алюминиевые электролитические конденсаторы (мокрого типа), независимо от того, являются ли они сменными или SMD-пакетами, имеют относительно высокую высоту и высокую ESR, они не подходят для размещения вблизи ИС для развязки источника питания и обычно используются для входных и выходных конденсаторов в силовых цепях.

Оригинальное изображение из спецификации KEMET

емкость

Получите допуск на емкость из спецификации. Обычно допуск на алюминиевые электролитические конденсаторы составляет ± 20%. При расчете максимального и минимального значений емкости каждый параметр должен соответствовать проектным требованиям.

Номинальное напряжение

Алюминиевые электролитические конденсаторы обычно подходят только для применений постоянного тока, и расчетное рабочее напряжение должно быть как минимум на 80% ниже номинального напряжения. Для цепей с защитой от перенапряжения номинальное перенапряжение выше остаточного напряжения защитного устройства (обычно TVS).

Например, для некоторого оборудования с питанием от POE, согласно стандарту 802.3at, рабочее напряжение может достигать 57 В, затем выбирается напряжение зажима TVS более 90 В, затем выбирается по меньшей мере алюминиевый электролитический конденсатор с номинальным напряжением 100 В. В настоящее время только алюминиевые электролитические конденсаторы могут одновременно удовлетворить требования большой емкости.

Оригинальная картинка из спецификации TVS Littelfuse

Коэффициент рассеивания

При разработке схемы DCDC ESR выходного конденсатора влияет на пульсацию выходного напряжения, поэтому необходимо знать ESR алюминиевого электролитического конденсатора, но в большинстве спецификаций алюминиевого электролитического конденсатора приведен только коэффициент рассеяния tanδ. СОЭ может быть рассчитана по следующей формуле:

ESR = tanδ/(2πfC)

Например, при 120 Гц tanδ составляет 16%, а C составляет 220 мкФ, ESR составляет около 965 мОм. Можно видеть, что ESR алюминиевого электролитического конденсатора очень велик, что приведет к большой пульсации выходного напряжения. Поэтому при использовании алюминиевых электролитических конденсаторов необходимо использовать керамические конденсаторы с микросхемой рядом с микросхемой DCDC.

По мере увеличения частоты переключения и температуры ESR будет уменьшаться.

Номинальный ток пульсации

Пульсирующий ток конденсатора должен соответствовать среднеквадратичным значениям тока входных и выходных конденсаторов конструкции DCDC. Номинальный ток пульсации алюминиевого электролитического конденсатора необходимо корректировать в соответствии с частотой переключения.

жизнь

Срок службы алюминиевых электролитических конденсаторов относительно короткий, поэтому следует обратить внимание на выбор. Срок службы напрямую связан с рабочей температурой. Спецификации обычно дают срок службы при самой высокой температуре продукта, например, при 105 ℃, срок службы составляет 2000 часов.

Согласно практическому правилу, каждый раз, когда рабочая температура падает на 10 ° C, срок службы умножается на 2. Если проектный срок службы продукта составляет 3 года, то это 26280 часов. Тогда 10 * log2 (26280/2000) = 37,3 ℃, тогда расчетная рабочая температура не может превышать 65 ℃.

3.2.2 Полимерно-алюминиевый электролитический конденсатор

Устройства с большим энергопотреблением, такие как процессор Intel, чип потребляют более 80 Вт энергии, а ток ядра составляет от десятков до сотен ампер. В то же время основная частота очень высока, и имеется много высокочастотных компонентов. В это время требования к развязывающему конденсатору очень высоки:

· Значение емкости должно быть большим, чтобы соответствовать требованиям большого тока;

· Номинальный среднеквадратичный ток должен быть большим, чтобы соответствовать требованиям большого тока;

· СОЭ должна быть небольшой, чтобы соответствовать требованиям развязки на высоких частотах;

· Стабильность емкости лучше;

· Поверхностный монтаж, высота не может быть слишком высокой, потому что она обычно размещается на нижнем слое на задней панели процессора для достижения наилучшего эффекта развязки.

В это время наиболее целесообразно выбирать полимерные алюминиевые электролитические конденсаторы.

Кроме того, для звуковых цепей обычно требуются конденсаторы связи и развязки. Поскольку частота звука очень низкая, требуются большие конденсаторы. В этом случае также подходят полимерные алюминиевые электролитические конденсаторы.

3.3 Танталовые конденсаторы

Согласно источнику соответствующей информации в предыдущей статье, мы можем обнаружить, что основными производителями танталовых конденсаторов являются Kemet, AVX, Vishay.

Тантал является относительно редким металлом, поэтому танталовые конденсаторы будут дороже, чем другие типы конденсаторов. Но производительность лучше, чем у алюминиевых электролитических конденсаторов, ESR меньше, потери меньше, эффект развязки лучше, а ток утечки меньше. На следующем рисунке приведена таблица параметров твердого танталового конденсатора Kemet:

Скриншот изKemet технические характеристики

Номинальное напряжение

Рабочее напряжение твердых танталовых конденсаторов необходимо снизить. Как правило, рабочее напряжение должно быть ниже 50% номинального напряжения, при высокой температуре или низком импедансе нагрузки рабочее напряжение должно быть ниже 30% номинального напряжения. Конкретные требования к снижению номинальных характеристик должны строго соответствовать техническим условиям.

Кроме того, необходимо также обратить внимание на обратное напряжение танталового конденсатора.Если компонент переменного тока слишком велик, это может привести к тому, что танталовый конденсатор выдержит обратное напряжение и привести к выходу из строя танталового конденсатора.

Основным режимом отказа конденсаторов из твердого тантала является короткое замыкание, которое напрямую приведет к риску того, что цепь не будет работать и даже возгорается. Поэтому необходимо уделять дополнительное внимание надежности конструкции и уменьшать частоту отказов.

Рекомендуется не использовать твердые танталовые конденсаторы для изделий, которые могут стать причиной серьезных аварий после их выхода из строя.

Номинальный ток пульсации

Пульсирующий ток протекает через танталовый конденсатор. Из-за наличия СОЭ температура танталового конденсатора будет повышаться. В дополнение к температуре окружающей среды, не превышайте номинальную температуру танталового конденсатора и соответствующую конструкцию снижения характеристик.

3.4 Чип многослойных керамических конденсаторов

Чиповые многослойные керамические конденсаторы должны быть самыми крупными партиями, и есть много производителей, таких как три основных японских TDK, muRata, Taiyo Yuden и американские, такие как KEMET и AVX (уже приобретенные Japan Kyocera).

Лучшее, что сделали три японца, — это наличие соответствующего программного обеспечения для выбора. Это все серии продуктов, такие как катушки индуктивности и конденсаторы, и соответствующие кривые параметров. Это очень всеобъемлющее решение, и я должен рекомендовать его снова:

· SEAT 2013 — TDK

· Simsurfing — Murata

· Taiyo Yuden Components Selection Guide & Data Library

3. 4.1 Конденсатор класса I

Наиболее широко используемыми конденсаторами класса I являются конденсаторы C0G, которые имеют стабильную производительность и подходят для высокочастотных цепей, таких как резонанс, согласование и фильтрация.

Емкость конденсатора C0G очень стабильна и в основном не изменяется при внешних условиях (кроме частоты) .На следующем рисунке приведены характеристики постоянного тока, переменного тока и температуры конденсатора Murata 1000pF.

Фотографии изGRM1555C1h202JA01 — Murata

Поэтому обычно необходимо сосредоточиться только на частотных характеристиках конденсатора COG. На рисунке ниже приведено сравнение частотных характеристик трех конденсаторов Murata по 10 пФ с одинаковым корпусом (0402 дюйма) и одинаковым допуском (5%).

Фотографии изSimSurfing — Web — Murata

Среди них GRM — это обычная серия, GJM — серия с высоким Q, GQM — высокочастотная серия, видно, что серия GQM обладает лучшими высокочастотными характеристиками, более высокой собственной резонансной частотой и значением Q, а также некоторыми высокими частотами. Для случаев с высокими требованиями к производительности можно использовать продукты с допуском 1%. Серия GRM дешевле и более универсальна, например, фильтрация ЭМС.

3.4.2 Конденсаторы класса II и класса III

Конденсаторы как класса II, так и класса III представляют собой высокодиэлектрические постоянные среды с нестабильными рабочими характеристиками и широким диапазоном значений емкости, которые обычно используются для развязки источника питания или обхода сигнала.

В качестве примера возьмем Murata конденсатор 22 мкФ, 6,3 В, X5R, соответствующую характеристическую кривую:

Фотографии изGRM188R60J226MEA0 — Murata

емкость

Для конденсаторов класса II и класса III емкость сильно варьируется в зависимости от температуры, смещения постоянного тока и смещения переменного тока. Особенно при использовании в качестве разъединителя источника питания конденсатор имеет определенное смещение постоянного тока, а емкость намного меньше номинального значения, поэтому обратите внимание на то, соответствует ли фактическое значение емкости проектным требованиям.

Пульсирующий ток

В качестве входных и выходных конденсаторов DCDC будет наблюдаться определенный пульсационный ток, поскольку наличие ESR приведет к определенному повышению температуры. В сочетании с температурой окружающей среды номинальная температура конденсатора не может быть превышена, например, максимальная номинальная температура конденсатора X5R составляет 85 ° C.

Как правило, поскольку многослойный керамический конденсатор имеет небольшое ESR, он может выдерживать большой пульсационный ток.

Собственная частота

Из-за существования ESL, конденсатор имеет собственную резонансную частоту. Конденсаторы большой емкости имеют низкую частоту саморезонанса, всего 1-2 МГц. Поэтому, чтобы улучшить высокочастотный эффект источника питания, необходимо большое количество развязывающих конденсаторов малого значения. Кроме того, для микросхем DCDC с высокими частотами переключения следует обратить внимание на саморезонансную частоту входных и выходных конденсаторов.

ESR

Чтобы спроектировать схему DCDC, вам нужно знать ESR выходного конденсатора для расчета пульсации выходного напряжения. ЭПР многослойных керамических конденсаторов, как правило, низкий, от нескольких до десятков миллиом.

3.5 Защитный конденсатор

Для нашего домашнего электронного оборудования это, в конечном счете, 220 В переменного тока. Чтобы уменьшить помехи в электросети, адаптер питания добавит различные конденсаторы фильтра через соответствующие тесты на ЭМС. На следующем рисунке показана простая принципиальная схема:

Емкость между L и N называется емкостью X, а емкость между L, N и PE или GND называется емкостью Y. Поскольку переменный ток 220 В опасен и угрожает личной безопасности людей, электронная продукция должна соответствовать соответствующим стандартам безопасности, таким как требования испытаний GB4943 и UL60950. Следовательно, емкость X и емкость Y напрямую связаны с этими испытаниями, поэтому их также называют защитными конденсаторами.

Взяв за пример испытание на электрическую прочность, согласно стандарту, стороны L и N являются первичными цепями, которые должны быть в основном изолированы от PE или GND. Поэтому необходимо добавить тест выдерживаемого напряжения переменного тока 1,5 кВ или постоянного тока 2,12 кВ между L или N и заземлением в течение приблизительно 1 минуты, в течение которого соответствующий ток утечки не может превышать стандартное значение. Следовательно, предохранительный конденсатор имеет относительно высокие требования к выдерживаемому напряжению, и ток утечки постоянного тока не может быть слишком большим.

Кроме того, обычно используемый сетевой порт RJ45, для уменьшения EMI, обычно используется схема Боба-Смита, как показано ниже:

Можно видеть, что выдерживаемое напряжение конденсатора выше 2 кВ, поскольку сетевой порт обычно имеет трансформатор, а переменный ток L и N 220 В к сетевому кабелю разделен двумя трансформаторами, которые имеют двойную изоляцию, и электрическая прочность также должна быть проведена между L и N к сетевому кабелю. тест. Двойная изоляция обычно требуется, чтобы выдержать испытание напряжением 3 кВ или 4,24 кВ постоянного тока.

Поскольку защитные конденсаторы предъявляют высокие требования к выдерживаемому напряжению, обычно используются керамические конденсаторы или пленочные конденсаторы.

Кроме того, для выбора устройства также требуются два основных требования: подтвердить длину, ширину и высоту устройства вместе со структурой: если в комплекте не много подключаемых устройств, можно ли использовать все устройства поверхностного монтажа, чтобы можно было исключить процесс пайки волной припоя.

Вывод

В этой статье примерно представлена ​​структура процесса нескольких основных типов конденсаторов, а также выбор приложения. Уровень ограничен, и неизбежно, что упущения приветствуются. В то же время я знаком только с оборудованием для информационных технологий и не понимаю других отраслей, таких как силовая электроника, военная промышленность и т. Д., Поэтому есть некоторые другие приложения, связанные с конденсаторами, которые невозможно представить.

—— Конец этой статьи——

факторов, влияющих на емкость | Конденсаторы

Существуют три основных фактора конструкции конденсатора, определяющие величину создаваемой емкости. Все эти факторы определяют емкость, влияя на то, какой поток электрического поля (относительная разница электронов между пластинами) будет развиваться при данной силе электрического поля (напряжение между двумя пластинами):

PLATE AREA : при прочих равных условиях большая площадь пластины дает большую емкость; меньшая площадь пластины дает меньшую емкость.

Объяснение: Большая площадь пластины приводит к большему потоку поля (заряд, собранный на пластинах) при данной силе поля (напряжение на пластинах).

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛАСТИН : При прочих равных условиях большее расстояние между пластинами дает меньшую емкость; более близкое расстояние между пластинами дает большую емкость.

Объяснение: Меньшее расстояние приводит к большей силе поля (напряжение на конденсаторе, деленное на расстояние между пластинами), что приводит к большему потоку поля (заряд, собранный на пластинах) для любого заданного напряжения, приложенного к пластинам.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ : При прочих равных условиях большая диэлектрическая проницаемость диэлектрика дает большую емкость; меньшая диэлектрическая проницаемость диэлектрика дает меньшую емкость.

Объяснение: Хотя это сложно объяснить, некоторые материалы оказывают меньшее сопротивление потоку поля при заданной силе поля. Материалы с большей диэлектрической проницаемостью допускают больший поток поля (предлагают меньшее сопротивление) и, следовательно, больший накопленный заряд при любой заданной величине силы поля (приложенного напряжения).

«Относительная» диэлектрическая проницаемость означает диэлектрическую проницаемость материала относительно диэлектрической проницаемости чистого вакуума. Чем больше число, тем больше диэлектрическая проницаемость материала. Например, стекло с относительной диэлектрической проницаемостью 7 имеет в семь раз большую диэлектрическую проницаемость чистого вакуума и, следовательно, позволяет создать поток электрического поля в семь раз сильнее, чем у вакуума, при прочих равных условиях. Ниже приводится таблица, в которой перечислены относительные диэлектрические проницаемости (также известные как «диэлектрическая проницаемость») различных распространенных веществ:

Материал	Относительная диэлектрическая проницаемость (диэлектрическая проницаемость)
Пылесос	1.0000
Воздух	1.0006
ПТФЭ, ФЭП («тефлон»)	2,0
Полипропилен	от 2,20 до 2,28
АБС-пластик	от 2,4 до 3,2
Полистирол	от 2,45 до 4,0
Вощеная бумага	2,5
Трансформаторное масло	от 2,5 до 4
Твердая резина	2.от 5 до 4,80
Дерево (дуб)	3,3
Силиконы	от 3,4 до 4,3
Бакелит	от 3,5 до 6,0
Кварц, плавленый	3,8
Дерево (клен)	4,4
Стекло	от 4,9 до 7,5
Касторовое масло	5,0
Дерево (береза)	5,2
Слюда, мусковит	5. от 0 до 8,7
Слюда на стекловолокне	от 6,3 до 9,3
Фарфор, стеатит	6,5
Глинозем	от 8,0 до 10,0
Вода дистиллированная	80,0
Барий-стронций-титанит	7500

Приблизительное значение емкости для любой пары разделенных проводников можно найти по следующей формуле:

Значение конденсатора можно сделать переменным, а не фиксированным, путем изменения любого из физических факторов, определяющих емкость.Одним относительно простым фактором, который можно изменить в конструкции конденсатора, является площадь пластин или, точнее, степень перекрытия пластин.

На следующей фотографии показан пример конденсатора переменной емкости, в котором в качестве диэлектрического материала используется набор чередующихся металлических пластин и воздушный зазор:

При вращении вала степень, в которой наборы пластин перекрывают друг друга, будет меняться, изменяя эффективную площадь пластин, между которыми может быть установлено концентрированное электрическое поле. Этот конкретный конденсатор имеет емкость в пикофарадном диапазоне и находит применение в радиосхемах.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Конденсатор

Конденсатор

Конденсаторы

Емкость

Конденсатор – это устройство для накопления раздельного заряда. Нет единого электронного компонента
сегодня играет более важную роль, чем конденсатор. Это устройство используется для
хранить информацию в памяти компьютера, регулировать напряжения в источниках питания,
создавать электрические поля, накапливать электрическую энергию, обнаруживать и
производить электромагнитные волны и измерять время.Любые два проводника, разделенные изолирующей средой, образуют конденсатор.

А
конденсатор с параллельными пластинами состоит из двух пластин, разделенных тонкой изоляционной
материал, известный как диэлектрик . В параллельной тарелке
электроны конденсатора переносятся с одной параллельной пластины на другую.

Мы уже показали, что
электрическое поле между пластинами постоянно с величиной E = σ/ε ₀
и указывает от положительной пластины к отрицательной.

Таким образом, разность потенциалов между отрицательной и положительной пластиной равна
предоставлено

∆U = U _{положительный} — U _{отрицательный} = -q Σ _{отрицательный} ^{положительный}
E∙ ∆ r = q E d.
При суммировании ∆ r точек от отрицательной к положительной пластине в
противоположное направление от E .
Поэтому
E∙ ∆ r   =
-E∆r, и знаки минус отменяются.
Положительный
пластина находится под более высоким потенциалом, чем отрицательная пластина.

Линии поля и эквипотенциальные линии для
постоянное поле между двумя заряженными пластинами показано справа. Одна пластина конденсатора содержит положительный заряд Q, а другая — заряд Q.
отрицательный заряд -Q. Заряд Q на пластинах пропорционален потенциалу
разница V между двумя пластинами.
емкость Кл — постоянная пропорциональности,

Ом = CV, C = Q/V.

C зависит от геометрии конденсатора и типа диэлектрического материала
использовал. Емкость плоского конденсатора с двумя пластинами площадью А
на расстоянии d и отсутствии диэлектрического материала между пластинами составляет

C = ε ₀ A/d.

(Электрическое поле E = σ/ε ₀ .
Напряжение равно V = Ed = σd/ε ₀ . Заряд равен Q = σA. Поэтому Q/V =
σAε ₀ /σd = Aε ₀ /d.)
Единицей измерения емкости в системе СИ является
Кулон/Вольт = Фарад (F).
Типичный
конденсаторы имеют емкость в диапазоне от пикофарад до микрофарад.

Емкость говорит нам, сколько заряда устройство хранит для данного
Напряжение. Диэлектрик между проводниками увеличивает емкость
конденсатор. Молекулы диэлектрического материала поляризуются в поле
между двумя проводниками. Весь отрицательный и положительный заряд
диэлектрика смещены на небольшую величину друг относительно друга.Этот
приводит к эффективному положительному поверхностному заряду на одной стороне диэлектрика
и отрицательный поверхностный заряд на другой стороне диэлектрика. Эти
эффективные поверхностные заряды на диэлектрике создают электрическое поле, которое
противодействует полю, создаваемому поверхностными зарядами на проводниках, и, таким образом,
уменьшает напряжение между проводниками. Чтобы поддерживать напряжение, больше заряда
должны быть надеты на проводники. Таким образом, конденсатор накапливает больше заряда в течение
заданное напряжение.Диэлектрическая проницаемость κ представляет собой отношение
напряжения В ₀ между жилами без диэлектрика до
напряжение V с диэлектриком, κ = V ₀ /В,
для данного количества заряда Q на проводниках.

На приведенной выше диаграмме такое же количество заряда Q на
проводники приводит к меньшему полю между пластинами конденсатора с
диэлектрик. Чем выше диэлектрическая проницаемость κ,
тем больше заряда конденсатор может хранить при заданном напряжении.Для параллельной пластины
конденсатор с диэлектриком между обкладками, емкость

C = Q/V = κQ/V ₀ =
κε ₀ A/d = εA/d,
, где ε = κε ₀ .
Статическая диэлектрическая проницаемость любого материала всегда больше 1,

.

Типовые диэлектрические постоянные

Материал Диэлектрическая проницаемость Воздух 1.00059 Силикат алюминия от 5,3 до 5,5 Бакелит 3,7 Пчелиный воск (желтый) 2,7 Бутилкаучук 2,4 Формика XX 4,00 Германий 16 Стекло от 4 до 10 Гуттаперча 2. 6 Масло Halowax 4,8 Кел-Ф 2,6 Люцит 2,8 Слюда от 4 до 8 Микарта 254 от 3,4 до 5,4 Майлар 3.1 Неопреновый каучук 6,7 Нейлон 3.00

Материал Диэлектрическая проницаемость Бумага от 1,5 до 3 Парафин от 2 до 3 Оргстекло 3,4 Полиэтилен 2,2 Полистирол 2,56 Фарфор от 5 до 7 Стекло пирекс 5.6 Кварц от 3,7 до 4,5 Силиконовое масло 2,5 Стеатит от 5,3 до 6,5 Титанат стронция 233 Тефлон 2. 1 Тенит от 2,9 до 4,5 Пылесос 1.00000 Вазелин 2.16 Вода (дистиллированная) от 76,7 до 78,2 Дерево от 1,2 до 2,1

Если диэлектрик с диэлектрической проницаемостью κ
вставляется между пластинами плоскопараллельного конденсатора, а
напряжение поддерживается постоянным аккумулятором, заряд Q на пластинах увеличивается
с коэффициентом κ.
Батарея перемещает больше электронов с положительной пластины на отрицательную.
Величина электрического поля между пластинами E = V/d остается неизменной.
такой же.

Если диэлектрик вставлен между пластинами параллельной пластины
конденсатор, а заряд на обкладках остается прежним, потому что конденсатор
отключается от аккумулятора, то напряжение V уменьшается в раз
κ,
а электрическое поле между пластинами E = V/d уменьшается в
κ.

Модуль 2: Вопрос 2:

(a) Конденсатор с плоскими пластинами изначально имеет напряжение 12 В и
остается подключенным к аккумулятору.Если расстояние между пластинами теперь удвоится, что
бывает?
(b) Конденсатор с плоскими пластинами изначально подключен к батарее, а
пластины удерживают заряд ±Q. Затем батарея отключается. Если расстояние между пластинами
теперь удваивается, что происходит?

Совет. Аккумулятор представляет собой зарядный насос. Может качать заряд с одной пластины
к другому, чтобы поддерживать постоянную разность потенциалов.
Нет аккумулятора <--> нет зарядного насоса. Заряд не может перемещаться с одной пластины на другую.
разное.

Обсудите это со своими однокурсниками на форуме!

Ссылка:
ФЕТ
Лаборатория конденсаторов (базовая)

Энергия, запасенная в конденсаторе

Энергия U, запасенная в конденсаторе, равна работе
W сделано в разделении
заряды на проводниках. Чем больше заряда уже накоплено на пластинах, тем
необходимо проделать дополнительную работу, чтобы отделить дополнительные заряды из-за сильного
отталкивание между одноименными зарядами.При заданном напряжении требуется бесконечно малое
количество работы ∆W = V∆Q по отделению дополнительного бесконечно малого количества заряда
∆Q.
(Напряжение V — это количество работы на единицу заряда.)

Поскольку V = Q/C,
V увеличивается линейно с Q. Общая работа, выполненная при зарядке конденсатора
является

Вт = U = Σ V ∆Q = V _{среднее} Q
= ½VQ.

Используя Q = CV, мы также можем написать
U = ½(Q ² /C) или
U = ½CV ² .

Проблема:

Каждая ячейка памяти компьютера содержит конденсатор для хранения заряда.
Сохраняемый или не сохраняемый заряд соответствует двоичному разряду 1
и 0. Для более плотной упаковки ячеек часто используются траншейные конденсаторы.
в котором пластины конденсатора установлены вертикально вдоль стенок траншеи
врезан в кремниевый чип. Если у нас есть емкость 50 фемтофарад = 50*10 ^-15
Ф
и каждая плита имеет площадь 20*10 ^-12 м ²
(траншеи микронного размера), что такое разделение пластин?

Решение:

• Обоснование:
  Емкость плоского конденсатора с двумя пластинами площадью А
  на расстоянии d и отсутствии диэлектрического материала между пластинами C = ε ₀ A/d.
• Детали расчета:
  C = ε ₀ A/d, d =
  ε ₀ A/C = (8,85*10 ^-12 *20*10 ^-12 /(50*10 ^-15 )) м
  = 3,54*10 ^-9 м.
  Типичные размеры атомов порядка 0,1 нм, поэтому бороздка находится на
  шириной порядка 30 атомов.

Для любого изолятора существует максимальное электрическое поле, которое можно поддерживать
без ионизации молекул. Для конденсатора это означает наличие
максимально допустимое напряжение, которое может быть приложено к проводникам.Этот
максимальное напряжение зависит от диэлектрика в конденсаторе. Соответствующий
максимальное поле E _b называется диэлектрической прочностью
материала. Для более сильных полей конденсатор «выходит из строя» (аналогично
коронный разряд) и обычно разрушается. Большинство конденсаторов, используемых в электротехнике
цепи несут как емкость, так и номинальное напряжение. Это напряжение пробоя В _б
связано с диэлектрической прочностью E _b .Для параллельной пластины
конденсатор имеем V _b = E _b d.

Конденсаторы и емкость — AP Physics 2

Если вы считаете, что контент, доступный с помощью Веб-сайта (как это определено в наших Условиях обслуживания), нарушает одно
или более ваших авторских прав, пожалуйста, сообщите нам, предоставив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее
в
информацию, описанную ниже, назначенному агенту, указанному ниже. Если университетские наставники примут меры в ответ на
ан
Уведомление о нарушении, он предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, предоставившей такой контент
средства самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении может быть направлено стороне, предоставившей контент, или третьим лицам, таким как
в виде
ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатов), если вы существенно
искажать информацию о том, что продукт или деятельность нарушают ваши авторские права.Таким образом, если вы не уверены, что содержимое находится
на Веб-сайте или на который ссылается Веб-сайт, нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к адвокату.

Чтобы подать уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись владельца авторских прав или лица, уполномоченного действовать от его имени;
Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены;
Описание характера и точного местонахождения контента, который, как вы утверждаете, нарушает ваши авторские права, в \
достаточно подробно, чтобы преподаватели университета могли найти и точно идентифицировать этот контент; например, мы требуем
а
ссылку на конкретный вопрос (а не только название вопроса), который содержит содержание и описание
к какой конкретной части вопроса — изображению, ссылке, тексту и т. д. — относится ваша жалоба;
Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; и
Заявление от вас: (а) что вы добросовестно полагаете, что использование контента, который, как вы утверждаете, нарушает
ваши авторские права не разрешены законом или владельцем авторских прав или его агентом; б) что все
информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство вы
либо владельцем авторских прав, либо лицом, уполномоченным действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему назначенному агенту по адресу:

Чарльз Кон
Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105

Или заполните форму ниже:

Емкость

• • Что такое емкость?
• • Диэлектрик.
• • диэлектрическая проницаемость.
• • Диэлектрическая прочность и максимальное рабочее напряжение.
• • Расчет заряда конденсатора.

Емкость

Количество энергии, которое может хранить конденсатор, зависит от значения или ЕМКОСТИ конденсатора. Емкость (символ C) измеряется в основных единицах ФАРАДА (символ F). Один фарад — это емкость, которая может хранить 1 кулон (6.24 х 10 ¹⁸ электронов) при зарядке до напряжения 1 вольт. Однако фарада слишком велика для использования в электронике, поэтому более полезными являются следующие единицы измерения емкости.

Однако помните, что при решении задач, связанных с емкостью, формулы и значения должны быть выражены в основных единицах: фарадах, вольтах и ​​т. д.Поэтому при вводе значения 0,47 нФ, например, в формулу (или в калькулятор) его следует вводить в фарадах, используя версию стандартной формы с инженерными обозначениями, как: 0,47 x 10 ^-9 (для получения более Информация).

Емкость зависит от четырех факторов;

1. Площадь пластин

2.Расстояние между пластинами

3. Тип диэлектрического материала

4.Температура

Из этих четырех температур на большинство конденсаторов оказывает наименьшее влияние.Значение большинства конденсаторов довольно стабильно в «нормальном» диапазоне температур.

Значения конденсатора могут быть фиксированными или переменными. Большинство переменных конденсаторов имеют очень маленькое значение в несколько десятков или сотен пФ. Значение варьируется либо:

• •Изменение площади пластин.
• •Изменение толщины диэлектрика.

Емкость (C) ПРЯМО ПРОПОРЦИОНАЛЬНА ПЛОЩАДИ ДВУХ ПЛАСТИН , которые непосредственно перекрываются, чем больше площадь перекрытия, тем больше емкость.

Емкость ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНА РАССТОЯНИЮ МЕЖДУ ПЛАСТИНАМИ. т.е. если пластины раздвигаются, то емкость уменьшается.

Диэлектрик

Электроны на одной пластине конденсатора воздействуют на электроны на другой пластине, вызывая искажение орбит электронов внутри диэлектрического материала (изолирующего слоя между пластинами). Величина искажения зависит от природы диэлектрического материала и измеряется диэлектрической проницаемостью материала.

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость указывается для любого конкретного материала как ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ, которая является мерой эффективности диэлектрического материала. Это число без единиц измерения, которое указывает, насколько больше диэлектрическая проницаемость материала, чем диэлектрическая проницаемость воздуха (или вакуума), для которого задана диэлектрическая проницаемость 1 (один). Например, если диэлектрический материал, такой как слюда, имеет относительную диэлектрическую проницаемость 6, это означает, что конденсатор будет иметь диэлектрическую проницаемость и, следовательно, емкость в шесть раз больше, чем у конденсатора с такими же размерами, но диэлектриком которого является воздух.

Диэлектрическая прочность

Другим важным аспектом диэлектрика является ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ. это указывает на способность диэлектрика выдерживать приложенное к нему напряжение, когда конденсатор заряжен. В идеале диэлектрик должен быть как можно тоньше, чтобы обеспечить максимальную емкость для данного размера компонента. Однако чем тоньше диэлектрический слой, тем легче разрушаются его изоляционные свойства. Следовательно, диэлектрическая прочность определяет максимальное рабочее напряжение конденсатора.

Максимальное рабочее напряжение (макс. VDCwkg)

Очень важно при использовании конденсаторов не превышать максимальное рабочее напряжение, указанное производителем. В противном случае возникнет большая опасность внезапного пробоя изоляции внутри конденсатора. Поскольку вполне вероятно, что в это время на конденсаторе существовало максимальное напряжение (отсюда пробой), большие токи будут протекать с реальным риском возгорания или взрыва в некоторых цепях.

Зарядка конденсатора.

Заряд (Q) конденсатора зависит от комбинации вышеуказанных факторов, которые вместе можно представить как емкость (C) и приложенное напряжение (V). Для компонента данной емкости соотношение между напряжением и зарядом является постоянным. Увеличение приложенного напряжения приводит к пропорциональному увеличению заряда. Это отношение может быть выражено формулой;

Q = CV

или

C = Q/V

или

V = Q/C

Где V — приложенное напряжение в вольтах.

Кл — емкость в фарадах.

Q — количество заряда в кулонах.

Таким образом, любая из этих величин может быть найдена, если известны две другие. Формулы можно легко изменить, используя простой треугольник, аналогичный тому, который используется для расчета закона Ома при расчете резисторов.

Емкость | Основы | Руководство по конденсаторам

Что такое емкость?

Электрическая емкость – это способность проводящего тела накапливать заряд. Значение емкости конденсатора находится по формуле:

, где C — емкость, Q — количество заряда, накопленного на каждом электроде, а V — напряжение между двумя электродами. В реальных цепях количество заряда на одной пластине равно количеству заряда на другой пластине конденсатора, но эти два заряда имеют разные знаки. Изучив эту формулу, можно сделать вывод, что конденсатор емкостью 1 Ф удерживает заряд 1 Кл, когда на его две клеммы подается напряжение 1 В.

Единица измерения емкости

Единицей измерения емкости является фарад [Ф]. Эта единица может быть несколько непрактичной. С точки зрения большинства инженеров-электриков, один фарад — это огромное значение емкости. В большинстве электронных схем используются конденсаторы емкостью всего до нескольких мФ. Для этого есть несколько веских причин.

Одна из причин заключается в том, что при работе с сигналами в электрической цепи по мере увеличения частоты сигнала потребность в конденсаторах большой емкости уменьшается, поскольку при более высоких частотах даже небольшой конденсатор может оказать большое влияние на цепь. Поскольку большинство современных цифровых схем имеют тенденцию двигаться к более высоким частотам, чтобы удовлетворить требования повышенной скорости обработки, в этих схемах в основном используются конденсаторы емкостью всего до нескольких мФ. В результате потребность в больших конденсаторах практически отсутствует в частях электрических цепей, обрабатывающих сигналы.

Другая причина заключается в том, что конденсаторы с высокой емкостью физически велики. Поэтому использование таких конденсаторов избегают, особенно в мобильных устройствах. Однако в последнее время в области суперконденсаторов произошли технологические достижения.Благодаря этим достижениям теперь стало возможным производить конденсаторы с емкостью до нескольких тысяч фарад, которые по размеру сравнимы с банкой из-под напитков. Эти суперконденсаторы разрабатываются для замены батарей в различных приложениях, таких как электромобили или даже мобильные телефоны, если ученым удастся уменьшить их размер до приемлемой степени. Меньший суперконденсатор 1F может быть изготовлен с размером, сравнимым с размером нескольких десятицентовиков, уложенных друг на друга.

Емкостные характеристики реальных конденсаторов

Идеальный конденсатор имеет фиксированное значение емкости. Однако емкость реального конденсатора может измениться по нескольким причинам. В большинстве случаев диэлектрик, используемый в конденсаторе, не идеален, и на диэлектрическую проницаемость могут влиять определенные факторы.

Напряжение , подаваемое на конденсатор, может изменить диэлектрическую проницаемость диэлектрика. Это изменение напрямую влияет на емкость такого конденсатора.Например, этот эффект ярко проявляется при использовании в качестве диэлектрика сегнетоэлектрических материалов. Такой эффект может быть полезен в некоторых случаях, и существуют специальные устройства, такие как варикап, которые используют преимущество емкости цепи, зависящей от напряжения. Название варикап происходит от слова VARIable CAPacitance. Эти диоды используются в качестве конденсаторов, управляемых напряжением, и иногда используются в радио- и телевизионных тюнерах, контурах фазовой автоподстройки частоты и усилителях, а также в других схемах.

Частота сигнала на клеммах конденсатора также может влиять на его емкость.Этот эффект называется диэлектрической дисперсией и происходит потому, что поляризация диэлектрика отстает от быстро меняющегося сигнала. На низких частотах сигнала этим эффектом можно пренебречь, однако на высоких частотах этот эффект может быть весьма выражен. Примером приложения, в котором необходимо учитывать частотно-зависимые изменения емкости, являются МОП-транзисторы, емкость затвора которых зависит от частоты.

Возраст конденсатора также влияет на его емкость.Некоторые конденсаторы более стабильны с течением времени, в то время как другие имеют относительно короткий срок службы из-за эффектов старения. Например, электролит в электролитическом конденсаторе может со временем высохнуть, даже если он не используется в цепи. Со временем емкость изменяется по сравнению с проектным значением, и такое изменение может в конечном итоге привести к неисправности схемы. По этой причине некоторые конденсаторы имеют определенный расчетный срок годности, а также расчетный срок службы в цепи.

Паразитная емкость

В то время как конденсаторы предназначены для преднамеренного введения в цепь определенной емкости, в некоторых других устройствах, таких как резисторы, катушки индуктивности или даже обычные провода, емкость считается нежелательным паразитным эффектом.Это особенно важно на высоких частотах, где такие емкости могут сильно влиять на работу схемы. Если две сигнальные линии в интегральной схеме проходят рядом друг с другом, паразитная емкость может внести значительный шум в одну линию, если другая линия управляется высокочастотным сигналом, например, тактовым сигналом 3,2 ГГц. Это называется перекрестными помехами и может представлять серьезную проблему для разработчиков интегральных схем. Чем длиннее две линии проходят рядом друг с другом и чем короче расстояние между ними, тем более выражен этот эффект. Чтобы противодействовать этой проблеме, разработчик схемы должен поддерживать достаточное расстояние между такими линиями. В чувствительных высокочастотных схемах, таких как генераторы и фильтры, в процессе проектирования необходимо учитывать даже небольшие паразитные емкости таких простых устройств, как резисторы. Паразитные емкости невозможно полностью устранить, но их можно уменьшить, используя короткие выводы, предпочтительно технологию SMD, и устройства, специально разработанные для уменьшения их емкости, такие как резисторы малой емкости.Например, если микроконтроллер использует кварцевый генератор, эмпирическое правило состоит в том, чтобы разместить кварц и все вспомогательные элементы физически как можно ближе к микроконтроллеру, чтобы уменьшить емкость, создаваемую проводами на печатной плате (печатной плате) и тем самым шум, возникающий в результате перекрестных помех.

8.1 Конденсаторы и емкость – University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните понятия конденсатора и его емкости
• Опишите, как оценить емкость системы проводников

Конденсатор — это устройство, используемое для хранения электрического заряда и электрической энергии. Он состоит как минимум из двух электрических проводников, разделенных расстоянием. (Обратите внимание, что такие электрические проводники иногда называют «электродами», но правильнее было бы назвать их «пластинами конденсатора».) Пространство между конденсаторами может быть просто вакуумом, и в этом случае конденсатор называется «вакуумный конденсатор». Однако это пространство обычно заполняется изоляционным материалом, известным как диэлектрик . (Вы узнаете больше о диэлектриках в разделах, посвященных диэлектрикам, далее в этой главе.) Объем памяти в конденсаторе определяется свойством, называемым емкостью , о котором вы узнаете больше чуть позже в этом разделе.

Конденсаторы

применяются в самых разных областях: от фильтрации статического электричества от радиоприема до накопления энергии в сердечных дефибрилляторах. Как правило, коммерческие конденсаторы имеют две проводящие части, расположенные близко друг к другу, но не соприкасающиеся, как показано на рис. 8.2. В большинстве случаев между двумя пластинами используется диэлектрик. Когда клеммы батареи подключены к первоначально незаряженному конденсатору, потенциал батареи перемещает небольшое количество заряда с величиной х от положительной пластины к отрицательной.Конденсатор в целом остается нейтральным, но заряды [латекс]+Q[/латекс] и [латекс]\текст{−}Q[/латекс] находятся на противоположных пластинах.

Рисунок 8.2  Оба конденсатора, показанные здесь, были изначально разряжены перед подключением к батарее. Теперь у них на тарелках есть заряды [латекс]+Q[/латекс] и [латекс]\текст{−}Q[/латекс] (соответственно). а) Конденсатор с плоскими пластинами состоит из двух противоположно заряженных пластин площадью А, отстоящих друг от друга на расстоянии d. (b) Скрученный конденсатор имеет диэлектрический материал между двумя проводящими листами (пластинами).

Система, состоящая из двух одинаковых пластин с параллельными проводниками, находящихся на расстоянии друг от друга, называется конденсатором с параллельными пластинами (рис. 8.3). Величина электрического поля в пространстве между параллельными пластинами равна [латекс]E=\sigma \text{/}{\epsilon }_{0}[/latex], где [латекс]\сигма[/латекс] обозначает плотность поверхностного заряда на одной пластине (напомним, что [латекс]\сигма[/латекс] — это заряд Кл на площадь поверхности А ). Таким образом, величина поля прямо пропорциональна Q .

Рисунок 8.3  Разделение зарядов в конденсаторе показывает, что заряды остаются на поверхности пластин конденсатора. Линии электрического поля в конденсаторе с плоскими пластинами начинаются с положительных зарядов и заканчиваются отрицательными зарядами. Величина электрического поля в пространстве между пластинами прямо пропорциональна количеству заряда на конденсаторе.

Конденсаторы с различными физическими характеристиками (такими как форма и размер их пластин) сохраняют разное количество заряда при одном и том же приложенном на их пластинах напряжении В .Емкость C конденсатора определяется как отношение максимального заряда Q , который может храниться в конденсаторе, к приложенному напряжению В на его обкладках. Другими словами, емкость — это наибольшее количество заряда на вольт, которое может храниться на устройстве:

.

[латекс]C=\frac{Q}{V}.[/латекс]

Единицей измерения емкости в системе СИ является фарад (Ф), названный в честь Майкла Фарадея (1791–1867). Поскольку емкость — это заряд на единицу напряжения, один фарад равен одному кулону на один вольт, или

.

[латекс] 1 \ фантом {\ правило {0.{-6}\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{F}[/latex]). Конденсаторы могут изготавливаться различных форм и размеров (рис. 8.4).

Рисунок 8.4  Вот некоторые типичные конденсаторы, используемые в электронных устройствах. Размер конденсатора не обязательно связан со значением его емкости. (кредит: Уинделл Оскей)

Расчет емкости

Мы можем рассчитать емкость пары проводников с помощью следующего стандартного подхода.

Стратегия решения проблем: расчет емкости

1. Предположим, что конденсатор имеет заряд Q .
2. Определите электрическое поле [латекс]\stackrel{\to }{\textbf{E}}[/латекс] между проводниками. Если в расположении проводников присутствует симметрия, вы можете использовать закон Гаусса для этого расчета.
3. Найдите разность потенциалов между проводниками из

   [латекс] {V}_{B}-{V}_{A}=\text{−}\underset{A}{\overset{B}{\int}}\stackrel{\to}{\textbf {E}}·d\stackrel{\to}{\textbf{l}},[/latex]

   где путь интегрирования ведет от одного проводника к другому.Тогда величина разности потенциалов равна [латекс]V=|{V}_{B}-{V}_{A}|[/латекс].

4. Зная В , получите емкость непосредственно из уравнения 8.1.

Чтобы показать, как работает эта процедура, мы теперь рассчитаем емкости пластинчатых, сферических и цилиндрических конденсаторов. Во всех случаях мы предполагаем вакуумные конденсаторы (пустые конденсаторы) без диэлектрического вещества в пространстве между проводниками.

Конденсатор с параллельными пластинами

Плоский конденсатор (рис. 8.5) имеет две одинаковые проводящие пластины, каждая из которых имеет площадь поверхности A , разделенных расстоянием d . Когда к конденсатору прикладывается напряжение В , он накапливает заряд Ом , как показано на рисунке. Мы можем видеть, как его емкость может зависеть от A и d , рассматривая характеристики кулоновской силы. Мы знаем, что сила между зарядами увеличивается с увеличением заряда и уменьшается с расстоянием между ними. Следует ожидать, что чем больше пластины, тем больше заряда они могут хранить.Таким образом, C должно быть больше для большего значения A . Точно так же, чем ближе пластины друг к другу, тем сильнее притяжение к ним противоположных зарядов. Следовательно, C должно быть больше для меньшего d .

Рисунок 8.5  В конденсаторе с параллельными пластинами, пластины которого разделены расстоянием d, каждая пластина имеет одинаковую площадь поверхности A.

Определим плотность поверхностного заряда [латекс]\сигма[/латекс] на пластинах как

[латекс]\sigma =\frac{Q}{A}.{2}.[/latex] Поскольку электрическое поле [латекс]\stackrel{\to }{\textbf{E}}[/латекс] между пластинами однородно, разность потенциалов между пластинами составляет

[латекс]V=Ed=\frac{\sigma d}{{\epsilon}_{0}}=\frac{Qd}{{\epsilon}_{0}A}.[/latex]

Следовательно, уравнение 8.1 дает емкость плоского конденсатора как

[латекс] C = \ frac {Q} {V} = \ frac {Q} {Qd \ text{/}} {\ epsilon } _ {0} A} = {\ epsilon } _ {0} \ frac {A {д}.[/латекс]

Обратите внимание, что из этого уравнения емкость является функцией только геометрии и того, какой материал заполняет пространство между пластинами (в данном случае вакуум) этого конденсатора.На самом деле это верно не только для плоского конденсатора, но и для всех конденсаторов: Емкость не зависит от Ом или В . При изменении заряда соответственно изменяется и потенциал, так что Q / В остается постоянным. {-12}\phantom{\rule{0.{3}\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{V}\right)=26,6\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\mu \text{C}\text{. }[/латекс]

Значение

Этот заряд лишь немного больше, чем в обычных приложениях статического электричества. Поскольку воздух разрушается (становится проводящим) при напряженности электрического поля около 3,0 МВ/м, на этом конденсаторе больше не может накапливаться заряд при увеличении напряжения.

Пример

A 1-F Конденсатор с параллельными пластинами

Предположим, вы хотите построить плоскопараллельный конденсатор емкостью 1.{-3}\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{m}[/latex]

Проверьте свое понимание

Убедитесь, что [latex]\sigma \text{/}V[/latex] и [latex]{\epsilon }_{0}\text{/}d[/latex] имеют одинаковые физические единицы.

Сферический конденсатор

Сферический конденсатор представляет собой еще один набор проводников, емкость которых можно легко определить (рис. { 2}\right)=\frac{Q}{{\epsilon}_{0}}.{2}} = \ frac {Q} {4 \ pi {\ epsilon} _ {0}} \ left (\ frac {1} {{R} _ {1}} — \ frac {1} {{R} _{2}}\справа).[/латекс]

В этом уравнении разность потенциалов между пластинами равна [латекс]V=\text{−}\left({V}_{2}-{V}_{1}\right)={V}_{1 }-{V}_{2}[/латекс]. Подставим этот результат в уравнение 8.1, чтобы найти емкость сферического конденсатора:

[латекс] C = \ frac {Q} {V} = 4 \ pi {\ epsilon} _ {0} \ frac {{R} _ {1} {R} _ {2}} {{R} _ { 2}-{R}_{1}}.[/латекс]

Рисунок 8.6  Сферический конденсатор состоит из двух концентрических проводящих сфер.Обратите внимание, что заряды проводника находятся на его поверхности.

Пример

Емкость изолированной сферы

Рассчитайте емкость одиночной изолированной проводящей сферы радиусом [латекс]{R}_{1}[/латекс] и сравните ее с уравнением 8.4 в пределе как [латекс]{R}_{2}\to \infty [/латекс].

Стратегия

Мы предполагаем, что заряд на сфере равен Q , поэтому мы следуем четырем шагам, описанным ранее. Мы также предполагаем, что другой проводник представляет собой концентрическую полую сферу бесконечного радиуса.{2}}=\frac{1}{4\pi {\epsilon}_{0}}\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\frac{Q}{{R}_{1}} .[/латекс]

Таким образом, емкость изолированного шара равна

[латекс] C = \ frac {Q} {V} = Q \ frac {4 \ pi {\ epsilon} _ {0} {R} _ {1}} {Q} = 4 \ pi {\ epsilon } _ {0}{R}_{1}.[/latex]

Значение

Тот же результат можно получить, взяв предел уравнения 8.4 как [latex]{R}_{2}\to \infty[/latex]. Таким образом, отдельная изолированная сфера эквивалентна сферическому конденсатору, внешняя оболочка которого имеет бесконечно большой радиус.

Проверьте свое понимание

Радиус внешней сферы сферического конденсатора в пять раз больше радиуса его внутренней оболочки. Каковы размеры этого конденсатора, если его емкость 5,00 пФ?

Показать раствор

Цилиндрический конденсатор

Цилиндрический конденсатор состоит из двух концентрических проводящих цилиндров (рис. 8.7). Внутренний цилиндр радиусом [латекс]{R}_{1}[/латекс] может быть либо оболочкой, либо полностью твердым.Внешний цилиндр представляет собой оболочку внутреннего радиуса [латекс]{R}_{2}[/латекс]. Мы предполагаем, что длина каждого цилиндра равна l и что избыточные заряды [латекс]+Q[/латекс] и [латекс]\текст{−}Q[/латекс] находятся на внутреннем и внешнем цилиндрах соответственно.

Рисунок 8.7  Цилиндрический конденсатор состоит из двух концентрических проводящих цилиндров. Здесь заряд на внешней поверхности внутреннего цилиндра положительный (обозначается [латекс]+[/латекс]), а заряд на внутренней поверхности внешнего цилиндра отрицательный (обозначается [латекс]-[/латекс] ).

Без учета краевых эффектов электрическое поле между проводниками направлено радиально наружу от общей оси цилиндров. Используя поверхность Гаусса, показанную на рис. 8.7, мы имеем

[латекс]\underset{S}{\oint}\stackrel{\to}}{\textbf{E}}·\hat{\textbf{n}}\phantom{\rule{0. 2em}{0ex}}dA =E\left(2\pi rl\right)=\frac{Q}{{\epsilon}_{0}}.[/latex]

Следовательно, электрическое поле между цилиндрами равно

[латекс]\stackrel{\to}{\textbf{E}}=\frac{1}{2\pi {\epsilon}_{0}}\phantom{\rule{0.{{R}_{2}}=\frac{Q}{2\pi {\epsilon}_{0}\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}l}\text{ln}\frac{ {R}_{2}}{{R}_{1}}.[/латекс]

Таким образом, емкость цилиндрического конденсатора равна

[латекс] C = \ frac {Q} {V} = \ frac {2 \ pi {\ epsilon } _ {0} \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} l} {\ text {ln} \left({R}_{2}\text{/}{R}_{1}\right)}.[/latex]

Как и в других случаях, эта емкость зависит только от геометрии расположения проводников. Важным применением уравнения 8.6 является определение емкости на единицу длины коаксиального кабеля , который обычно используется для передачи изменяющихся во времени электрических сигналов.Коаксиальный кабель состоит из двух концентрических цилиндрических проводников, разделенных изоляционным материалом. (Здесь мы предполагаем вакуум между проводниками, но физика качественно почти такая же, когда пространство между проводниками заполнено диэлектриком. ) Такая конфигурация экранирует электрический сигнал, распространяющийся по внутреннему проводнику, от внешних по отношению к проводнику паразитных электрических полей. кабель. Ток течет в противоположных направлениях во внутреннем и внешнем проводниках, при этом внешний проводник обычно заземлен.Теперь из уравнения 8.6 емкость на единицу длины коаксиального кабеля равна

.

[латекс]\frac{C}{l}=\frac{2\pi {\epsilon}_{0}}{\text{ln}\left({R}_{2}\text{/}{ R}_{1}\right)}.[/latex]

В практических приложениях важно выбрать конкретные значения C / l . Этого можно добиться соответствующим выбором радиусов проводников и изоляционного материала между ними.

Проверьте свое понимание

Когда цилиндрический конденсатор получает заряд 0.500 нКл между цилиндрами измеряется разность потенциалов 20,0 В. а) Чему равна емкость этой системы? б) Чему равно отношение их радиусов, если длина цилиндров 1,0 м?

Показать раствор

На рис. 8.4 показаны несколько типов практических конденсаторов. Обычные конденсаторы часто изготавливают из двух небольших кусочков металлической фольги, разделенных двумя небольшими кусочками изоляции (см. рис. 8.2(b)). Металлическая фольга и изоляция покрыты защитным покрытием, а два металлических вывода используются для подключения фольги к внешней цепи.Некоторыми распространенными изоляционными материалами являются слюда, керамика, бумага и антипригарное покрытие Teflon™.

Другим популярным типом конденсатора является электролитический конденсатор. Он состоит из окисленного металла в токопроводящей пасте. Основным преимуществом электролитического конденсатора является его высокая емкость по сравнению с другими распространенными типами конденсаторов. Например, емкость алюминиевого электролитического конденсатора одного типа может достигать 1,0 Ф. Однако вы должны быть осторожны при использовании электролитического конденсатора в цепи, потому что он работает правильно только тогда, когда металлическая фольга находится под более высоким потенциалом, чем проводящая паста. Когда возникает обратная поляризация, электролитическое воздействие разрушает оксидную пленку. Конденсатор этого типа нельзя подключать к источнику переменного тока, потому что в половине случаев переменное напряжение будет иметь неправильную полярность, поскольку переменный ток меняет полярность (см. Цепи переменного тока в цепях переменного тока).

Переменный воздушный конденсатор (рис. 8.8) имеет два набора параллельных пластин. Один набор пластин закреплен (обозначен как «статор»), а другой набор пластин прикреплен к валу, который может вращаться (обозначен как «ротор»).Поворачивая вал, можно изменить площадь поперечного сечения в области нахлеста пластин; следовательно, емкость этой системы может быть настроена на желаемое значение. Конденсаторная настройка находит применение в любом типе радиопередачи и при приеме радиосигналов от электронных устройств. Каждый раз, когда вы настраиваете автомобильный радиоприемник на любимую станцию, подумайте о емкости.

Рисунок 8. 8  В переменном воздушном конденсаторе емкость можно регулировать, изменяя эффективную площадь пластин.(кредит: модификация работы Робби Спроула)

Символы, показанные на рис. 8.9, представляют собой схемы различных типов конденсаторов. Обычно мы используем символ, показанный на рис. 8.9(а). Символ на рис. 8.9(c) обозначает конденсатор переменной емкости. Обратите внимание на сходство этих символов с симметрией плоского конденсатора. Электролитический конденсатор представлен символом на рис. 8.9(b), где изогнутая пластина указывает на отрицательную клемму.

Рис. 8.9  Здесь показаны три различных представления схем конденсаторов. Символ в (а) является наиболее часто используемым. Символ в (b) представляет собой электролитический конденсатор. Символ в (c) представляет собой конденсатор переменной емкости.

Интересный прикладной пример модели конденсатора взят из клеточной биологии и касается электрического потенциала плазматической мембраны живой клетки (рис. 8.10). Клеточные мембраны отделяют клетки от их окружения, но позволяют некоторым избранным ионам проходить внутрь или наружу клетки.{\text{–}}[/latex] (хлорида) в указанном направлении до тех пор, пока кулоновская сила не остановит дальнейший перенос. Таким образом, внешняя поверхность мембраны приобретает положительный заряд, а ее внутренняя поверхность приобретает отрицательный заряд, создавая на мембране разность потенциалов. Мембрана в норме непроницаема для Na+ (ионов натрия).

Посетите PhET Explorations: Capacitor Lab, чтобы узнать, как работает конденсатор. Измените размер пластин и добавьте диэлектрик, чтобы увидеть влияние на емкость.Измените напряжение и увидите заряды на пластинах. Наблюдайте за электрическим полем в конденсаторе. Измерьте напряжение и электрическое поле.

Резюме

• Конденсатор — это устройство, в котором накапливается электрический заряд и электрическая энергия. Количество заряда, которое может хранить вакуумный конденсатор, зависит от двух основных факторов: приложенного напряжения и физических характеристик конденсатора, таких как его размер и геометрия.
• Емкость конденсатора — это параметр, который говорит нам, сколько заряда может храниться в конденсаторе на единицу разности потенциалов между его пластинами.Емкость системы проводников зависит только от геометрии их расположения и физических свойств изоляционного материала, заполняющего пространство между проводниками. Единица емкости — фарад, где }\text{/}1\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\text{V}.[/latex]

Концептуальные вопросы

Зависит ли емкость устройства от приложенного напряжения? Зависит ли емкость устройства от заряда, находящегося на нем?

Показать раствор

Как бы вы расположили пластины плоского конденсатора ближе или дальше друг от друга, чтобы увеличить их емкость?

Значение емкости равно нулю, если пластины не заряжены.Правда или ложь?

Показать раствор

Если пластины конденсатора имеют разную площадь, приобретут ли они одинаковый заряд, если конденсатор подключить к батарее?

Зависит ли емкость сферического конденсатора от того, какая сфера заряжена положительно или отрицательно?

Показать раствор

Проблемы

Какой заряд сохраняется в конденсаторе [латекс]180,0\текст{-}\мю\текст{F}[/латекс] при приложении к нему напряжения 120,0 В?

Показать раствор

Найдите накопленный заряд, когда 5.50 В подается на конденсатор емкостью 8,00 пФ.

Рассчитайте напряжение, приложенное к конденсатору [латекс]2.00\text{-}\mu \text{F}[/latex], когда он содержит [латекс]3.10\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\mu \text{C}[/latex] бесплатно.

Показать раствор

Какое напряжение необходимо приложить к конденсатору емкостью 8,00 нФ, чтобы накопить заряд 0,160 мКл?

Какая емкость необходима для накопления [латекс]3,00\фантом{\правило{0,2эм}{0экс}}\мк\текст{С}[/латекс] заряда при напряжении 120 В?

Показать раствор

Какова емкость вывода большого генератора Ван де Граафа, если он хранит 8.{2}[/латекс]. Какое расстояние между его пластинами?

Набор параллельных пластин имеет емкость [латекс]5,0\текст{мк}\текст{F}[/латекс]. Какой заряд нужно добавить к пластинам, чтобы увеличить разность потенциалов между ними на 100 В?

Показать раствор

Считайте Землю сферическим проводником радиусом 6400 км и рассчитайте его емкость.

Если емкость на единицу длины цилиндрического конденсатора равна 20 пФ/м, чему равно отношение радиусов двух цилиндров?

Показать раствор

Емкость пустого конденсатора с плоскими пластинами равна [латекс]20\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}µ\text{F}[/latex]. Какой заряд должен утечь с его пластин, чтобы напряжение на них уменьшилось на 100 В?

Глоссарий

емкость

количество накопленного заряда на единицу вольта

конденсатор

устройство, накапливающее электрический заряд и электрическую энергию

диэлектрик

изоляционный материал, используемый для заполнения пространства между двумя пластинами

плоский конденсатор

система из двух одинаковых параллельных проводящих пластин, разделенных расстоянием

Лицензии и атрибуты

Конденсаторы и емкость. Автор: : Колледж OpenStax. Расположен по адресу : https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/8-1-capacitors-and-capacitance. Лицензия : CC BY: Attribution . Условия лицензии : Скачать бесплатно по адресу https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/1-introduction

Емкость и конденсаторы | Analog Devices

I. Понимание паразитных эффектов в конденсаторах:

В. Мне нужно понять, как правильно выбрать конденсатор для моего приложения, но я не совсем понимаю преимущества и недостатки различных типов.

A. Выбор правильного типа конденсатора для конкретного приложения на самом деле не так уж и сложен. Как правило, вы обнаружите, что большинство конденсаторов попадают в одну из четырех категорий применения:

• Муфта переменного тока , включая обход (прохождение сигналов переменного тока при блокировке постоянного тока)
• развязка (фильтрация переменного тока или высоких частот, наложенных на постоянный ток или низкие частоты в силовых, опорных и сигнальных цепях)
• активный/пассивный RC фильтры или частотно-избирательные сети
• аналоговые интеграторы и схемы выборки и хранения (сбор и хранение заряда)

Несмотря на то, что существует более дюжины или около того популярных типов конденсаторов, включая поли, пленочные, керамические, электролитические и т. д.Вы обнаружите, что, как правило, только один или два типа лучше всего подходят для конкретного приложения, потому что существенные недостатки или «паразитные эффекты» на производительность системы, связанные с другими типами конденсаторов, заставят их устранить.

В. О каких «паразитарных эффектах» вы говорите?

A. В отличие от «идеального» конденсатора, «настоящий» конденсатор характеризуется дополнительными «паразитными» или «неидеальными» компонентами или поведением в виде резистивных и индуктивных элементов, нелинейности и диэлектрической памяти.Результирующие характеристики, обусловленные этими компонентами, обычно указываются в паспорте производителя конденсатора. Понимание эффектов этих паразитных явлений в каждом приложении поможет вам выбрать правильный тип конденсатора.

В. Итак, каковы наиболее важные параметры, характеризующие неидеальное поведение конденсатора?

A. Четыре наиболее распространенных эффекта: утечка (параллельное сопротивление), эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) и диэлектрическое поглощение (память).

Утечка конденсатора, R _P : Утечка является важным параметром в приложениях связи по переменному току, в устройствах хранения, таких как аналоговые интеграторы и хранилища образцов, а также когда конденсаторы используются в цепях с высоким импедансом.

В идеальном конденсаторе заряд Q изменяется только в зависимости от внешнего тока. Однако в реальном конденсаторе сопротивление утечки позволяет заряду стекать со скоростью, определяемой постоянной времени R-C.

Конденсаторы электролитического типа (танталовые и алюминиевые), отличающиеся высокой емкостью, имеют очень высокий ток утечки (обычно порядка 5–20 нА на мкФ) из-за низкого сопротивления изоляции и не подходят для хранения или соединения. Приложения.

Лучшим выбором для соединения и/или хранения является тефлон (политетрафторэтилен) и другие «поли» типы (полипропилен, полистирол и т. д.).

Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), R _S : Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) конденсатора представляет собой последовательное сопротивление выводов конденсатора с эквивалентным сопротивлением пластин конденсатора.ESR заставляет конденсатор рассеивать мощность (и, следовательно, создавать потери) при протекании больших переменных токов. Это может иметь серьезные последствия для высокочастотных и развязывающих конденсаторов питания, несущих высокие пульсирующие токи, но вряд ли окажет большое влияние на прецизионные аналоговые схемы с высоким импедансом и низким уровнем.

Конденсаторы с самым низким ESR включают как слюдяные, так и пленочные конденсаторы.

Эквивалентная последовательная индуктивность (ESL), L _S : Эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) конденсатора моделирует индуктивность подключенных последовательно выводов конденсатора с эквивалентной индуктивностью пластин конденсатора.Как и ESR, ESL также может быть серьезной проблемой на высоких (ВЧ) частотах, даже если сама прецизионная схема может работать на постоянном токе или на низких частотах. Причина в том, что транзисторы, используемые в прецизионных аналоговых схемах, могут иметь коэффициент усиления вплоть до частот перехода ( F _t ) в сотни МГц и даже в несколько ГГц и могут усиливать резонансы с малыми значениями индуктивности. Это делает важным, чтобы клеммы источника питания таких цепей были должным образом развязаны на высокой частоте.

Электролитические, бумажные или пленочные конденсаторы не подходят для развязки на высоких частотах; в основном они состоят из двух листов металлической фольги, разделенных листами пластикового или бумажного диэлектрика и свернутыми в рулон. Структура такого типа имеет значительную собственную индуктивность и действует скорее как индуктор, чем как конденсатор на частотах, превышающих всего несколько МГц.

Более подходящим выбором для ВЧ-развязки является монолитный конденсатор керамического типа с очень низкой последовательной индуктивностью.Он состоит из многослойного сэндвича из металлических пленок и керамического диэлектрика, причем пленки соединены параллельно шинам, а не скручены последовательно.

Незначительный компромисс заключается в том, что монолитные керамические конденсаторы могут быть микрофонными (то есть чувствительными к вибрации), а некоторые типы могут даже быть саморезонансными со сравнительно высокой добротностью из-за низкого последовательного сопротивления, сопровождающего их низкую индуктивность. С другой стороны, дисковые керамические конденсаторы иногда бывают довольно индуктивными, хотя и менее дорогими.

В. Я видел термин «коэффициент рассеяния», используемый в таблицах выбора конденсаторов. Что это?

А. Хороший вопрос. Поскольку утечка, ESR и ESL почти всегда трудно определить по отдельности, многие производители объединяют утечку, ESR и ESL в единую спецификацию, известную как коэффициент рассеяния или DF, которая в основном описывает неэффективность конденсатора. DF определяется как отношение энергии, рассеиваемой за цикл, к энергии, накапливаемой за цикл.На практике это равно коэффициенту мощности диэлектрика или косинусу фазового угла. Если рассеяние на высоких частотах в основном моделируется как последовательное сопротивление, то на интересующей критической частоте отношение эквивалентного последовательного сопротивления, ESR, к общему емкостному реактивному сопротивлению является хорошей оценкой DF,

Коэффициент рассеяния также оказывается эквивалентным обратной величине добротности конденсатора, или Q, которая также иногда указывается в паспорте производителя.

Диэлектрическое поглощение, RDA, CDA: Монолитные керамические конденсаторы отлично подходят для ВЧ-развязки, но они имеют значительное диэлектрическое поглощение , что делает их непригодными для использования в качестве запоминающего конденсатора усилителя хранения выборки (SHA). Диэлектрическая абсорбция представляет собой гистерезисное распределение внутреннего заряда, из-за которого конденсатор, который быстро разряжается, а затем размыкается, восстанавливает часть своего заряда. Поскольку количество восстановленного заряда зависит от его предыдущего заряда, это, по сути, память заряда, которая вызовет ошибки в любом SHA, где такой конденсатор используется в качестве конденсатора хранения.

Конденсаторы, которые рекомендуются для этого типа приложений, включают конденсаторы типа «поли», о которых мы говорили ранее, то есть полистирольные, полипропиленовые или тефлоновые. Эти типы конденсаторов имеют очень низкое диэлектрическое поглощение (обычно <0,01%).

Общие характеристики конденсаторов приведены в сравнительной таблице конденсаторов внизу этой страницы.

Примечание о высокочастотной развязке в целом: Наилучший способ обеспечить адекватную развязку аналоговой схемы как на высоких, так и на низких частотах — это использовать конденсатор электролитического типа, например, танталовую бусину, параллельно с монолитный керамический.Комбинация будет иметь высокую емкость на низких частотах и ​​останется емкостной вплоть до довольно высоких частот. Обычно нет необходимости иметь танталовый конденсатор на каждой отдельной микросхеме, за исключением критических случаев; если между каждой ИС и танталовым конденсатором менее 10 см достаточно широкой дорожки ПК, можно использовать один танталовый конденсатор для нескольких ИС.

Еще одна вещь, которую следует помнить о высокочастотной развязке, — это фактическое физическое размещение конденсатора.Даже короткие провода имеют значительную индуктивность, поэтому устанавливайте ВЧ-развязывающие конденсаторы как можно ближе к ИС и убедитесь, что выводы состоят из коротких и широких дорожек PC.

В идеале, ВЧ-развязывающие конденсаторы должны монтироваться на поверхность, чтобы исключить индуктивность выводов, но допустимы и конденсаторы с проволочными концами, при условии, что выводы устройства не длиннее 1,5 мм.

II. Паразитная емкость:

Теперь, когда мы поговорили о паразитных эффектах конденсаторов как компонентов, давайте поговорим о другой форме паразитных явлений, известной как «паразитная» емкость.

В. Что это?

A. Так же, как и конденсатор с плоскими пластинами, паразитные конденсаторы образуются, когда два проводника находятся в непосредственной близости друг от друга (особенно если они работают параллельно), и они не закорочены друг на друга или не экранированы проводником, служащим в качестве щит Фарадея.

Паразитная или «паразитная» емкость обычно возникает между параллельными дорожками на печатной плате или между дорожками/плоскостями на противоположных сторонах печатной платы. Возникновение и влияние паразитной емкости, особенно на очень высоких частотах, к сожалению, часто упускается из виду при моделировании схемы и может привести к серьезным проблемам с производительностью при конструировании и сборке системной печатной платы; примеры включают повышенный шум, пониженную частотную характеристику и даже нестабильность.

Например, если формула емкости применяется к дорожкам на противоположных сторонах платы, то для материала печатной платы общего назначения (E _R = 4,7, d = 1,5 мм) емкость между проводниками на противоположных сторонах платы плата чуть меньше 3 пФ/см ² . На частоте 250 МГц 3 пФ соответствует реактивному сопротивлению 212,2 Ом!

В. Как устранить паразитную емкость?

A. На самом деле вы никогда не сможете «устранить» паразитную емкость; лучшее, что вы можете сделать, это предпринять шаги, чтобы свести к минимуму его влияние на схему.

В. Как мне это сделать?

A. Что ж, один из способов свести к минимуму влияние паразитной связи — использовать экран Фарадея, который представляет собой просто заземленный проводник между источником связи и затронутой цепью.

В. Как это работает?

A. Посмотрите на рисунок; это эквивалентная схема, показывающая, как источник высокочастотного шума V _N соединяется с импедансом системы Z через паразитную емкость C. Z ₁ следующим лучшим решением является установка экрана Фарадея:

Как показано ниже, экран Фарадея прерывает электрическое поле связи.Обратите внимание, как экран заставляет шумовые токи и токи связи возвращаться к их источнику, минуя Z ₁ .

Другим примером емкостной связи являются припаянные сбоку керамические корпуса ИС. Эти DIP-корпуса имеют небольшую квадратную проводящую крышку из ковара, припаянную к металлизированному ободу на верхней части керамического корпуса. Производители упаковки предлагают только два варианта: металлизированный ободок можно соединить с одним из угловых штифтов упаковки, а можно оставить неподсоединенным. Большинство логических схем имеют контакт заземления в одном из углов упаковки, поэтому крышка заземлена.Но многие аналоговые схемы не имеют контакта заземления в углу корпуса, и крышка остается плавающей. Такие схемы оказываются гораздо более уязвимыми к шуму электрического поля, чем тот же чип в пластиковом DIP-корпусе, где чип неэкранирован.

Независимо от уровня шума окружающей среды рекомендуется заземлять крышку любой керамической ИС, припаянной сбоку, если крышка не заземлена производителем. Это можно сделать с помощью провода, припаянного к крышке (это не повредит устройство, так как микросхема термически и электрически изолирована от крышки).Если пайка крышки неприемлема, для заземления можно использовать зажим из фосфористой бронзы с заземлением или токопроводящую краску для соединения крышки с заземляющим контактом. Никогда не пытайтесь заземлить такую ​​крышку, не убедившись, что она действительно не подключена ; существуют типы устройств, крышка которых соединена с шиной питания, а не с землей!

Одним из случаев, когда экран Фарадея практически невозможен, является ситуация между соединительными проводами микросхемы интегральной схемы. Это имеет важные последствия.Паразитная емкость между двумя соединительными проводами чипа и соответствующими выводными рамками составляет порядка 0,2 пФ; наблюдаемые значения обычно лежат между 0,05 и 0,6 пФ.

Рассмотрим преобразователь высокого разрешения (АЦП или ЦАП), который подключен к высокоскоростной шине данных. Каждая линия шины данных (которая будет переключаться со скоростью от 2 до 5 В/нс) сможет влиять на аналоговый порт преобразователя через эту паразитную емкость; последующая связь цифровых фронтов ухудшит работу преобразователя.

Этой проблемы можно избежать, изолировав шину данных, вставив буфер с фиксацией в качестве интерфейса. Хотя это решение включает в себя дополнительный компонент, который занимает площадь платы, потребляет энергию и увеличивает стоимость, оно может значительно улучшить отношение сигнал/шум преобразователя.

.