Конденсаторы: назначение, устройство, принцип действия. Конденсатор принцип работы

Принцип работы и устройство конденсатора

Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассказывал о методах расчёта электрических цепей, в которых основным элементом является резистор. Резистор представляет собой один из элементов с сосредоточенными параметрами, в данном случае таким параметром является сопротивление. Однако кроме сопротивления ещё одними из основных параметров элементов цепи являются ёмкость и индуктивность, которые представлены элементами конденсатор и индуктивными элементами (различные дросселя, катушки, трансформаторы и т.д.). В данной статье я рассмотрю такой элемент с сосредоточенными параметрами, как конденсатор.

Проводник в электрическом поле

Помещая проводник в электрическое поле, носители заряда внутри проводника начинают перемещаться. Причем данное перемещение подчиняется двум правилам:

1. Напряжённость электрического поля внутри проводника должно равняться нулю

   Это означает, что потенциал внутри проводника остается постоянным (φ = const).

2. Напряжённость поля на поверхности проводника направлена перпендикулярно к самой поверхности данного проводника. Или другими словами поверхность проводника становится эквипотенциальной, то есть все точки данной поверхности имеют одинаковый потенциал.

Из этих двух правил следует, что когда проводник вносится в электрическое поле его носители заряда (в металлах это электроны, а в жидкостях – ионы) приходят в движение, причем положительные по направлению напряжённости электрического поля, а отрицательные в противоположную сторону. Результатом движения зарядов в проводнике является возникновение зарядов противоположного знака на концах проводника, такие заряды называют индуцированными. Перераспределение заряда в проводнике показано на рисунке ниже

Распределение носителей зарядов проводника в электрическом поле.

Таким образом, нейтральный проводник, помещённый в электрическое поле, как бы разрывает часть линий электрического поля, а индуцированные заряды распределяются по поверхности проводника.

Практический интерес представляет следующая ситуация, когда внутри проводника имеется некоторая полость. Так как индуцирование зарядов происходит на поверхности проводника, то внутри этого проводника, а значит и во внутренней полости электрическое поле обращается в нуль. На данном явлении основана электростатическая защита, когда необходимо защитить какой-нибудь прибор от воздействия электрического поля, то его помещают внутрь экрана из проводника. Индуцированные заряды на поверхности экрана скомпенсируют электростатическое поле. Вместо сплошного экрана часто используют экран из электропроводящей сетки, что тоже позволяет создать защиту от электростатического поля.

Электроемкость

Если на проводник переместить некоторый заряд q, то он как мы уже знаем, распределится по всей поверхности проводника, так чтобы напряженность электрического поля внутри него была равна нулю. Однако относительно любой точки пространства данный проводник будет обладать некоторым потенциалом φ. Если на данный заряженный проводник переместить ещё один заряд, то опять же он равномерно распределится по всей поверхности проводника, а величина потенциала вырастит на некоторую величину.

Таким образом, между величиной заряда проводника и его потенциалом существует связь, которая определяется следующим выражением

где q – величина заряда, сообщенная проводнику,

φ – потенциал проводника относительно любой точки пространства,

С – коэффициент пропорциональности, называемый электроемкостью проводника, или просто емкостью.

Исходя из этого, электроемкость проводника может быть вычислена из следующего выражения

Таким образом, электроемкость численно равна заряду, передача которого проводнику повышает его потенциал на единицу. Единица измерения электроемкости называется Фарада (обозначается Ф).

Однако емкость уединенного проводника невелика, так емкостью в 1 Ф обладает шар радиусом 9*109 м, что почти в 1500 раз больше радиуса Земли. Поэтому на практике используют специальные устройства для накопления зарядов и обладающие большой емкостью при минимальных размерах. Такие устройства называются конденсаторами.

Конденсаторы

Принцип действия конденсатора основывается на явлении индуцирования зарядов на проводнике в электрическом поле или на свойстве диэлектрика поляризоваться под воздействием электрического поля, а также возрастания электроемкости проводника при приближении к нему других тел. Рассмотрим подробнее.

Как известно из предыдущего параграфа, что если к заряженному телу, вокруг которого существует электрическое поле поднести проводник, то на поднесенном проводнике начнут индуцироваться заряды, в результате чего потенциал заряженного проводника будет уменьшаться, а, следовательно, электроемкость возрастать. Поэтому конденсаторы делают в виде двух близкорасположенных проводников, называемых обкладками конденсатора.

Чтобы ограничить влияние посторонних предметов на электрическое поле конденсатора, а следовательно и его емкость, обкладки изготавливают такими, чтобы электрическое поле создаваемое ими было полностью сосредоточенно внутри конденсатора. Такому условию соответствуют плоские, цилиндрические и сферические конденсаторы.

Так как обкладки расположены очень близко, то практически весь заряд обкладок будет сосредоточен на их внутренних поверхностях, то есть обращённых друг к другу, поэтому емкость конденсатора будет определяться следующим выражением

где q – заряд одной из обкладок конденсатора,

φ1 и φ2 – потенциалы обкладок конденсатора.

Самым простым является плоский конденсатор, его мы и рассмотрим в качестве примера.

Плоский конденсатор

Плоский конденсатор представляет собой две одинаковые пластины площадью S, расположенные параллельно, расстояние между пластинами d очень незначительно по отношению к размерам самих пластин, поэтому практически всё электрическое поле сосредоточенно между пластинами-обкладками. Кроме этого между пластинами расположен диэлектрик, который имеет диэлектрическую проницаемость ε, зависящую от свойств диэлектрика.

Плоский конденсатор.

Тогда разность потенциалов между обкладками конденсатора будет определяться следующим выражением

где S – площадь обкладки конденсатора,

d – расстояние между обкладками,

ε0 – электрическая постоянная, ε0 = 8,85 * 10-12 Кл2/(Н*м2),

ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, зависящая от его свойств.

Тогда емкость плоского конденсатора будет определяться по следующей формуле

На этом с физикой, пожалуй, закончим и приступим к электронике.

Реальный конденсатор

В прошлой статье я рассказал об идеальных элементах электрических схем (я рассматривал сопротивление, как идеальный резистор). Идеальный элемент конденсатор отличается от реального конденсатора наличием паразитных характеристик, для определения этих характеристик рассмотрим эквивалентную схему реального конденсатора изображённую ниже

Эквивалентная схема замещения конденсатора.

Кроме непосредственно емкости конденсатора можно выделить следующие параметры, которые являются паразитными и в некоторых схемах не позволяют использовать конденсаторы некоторых типов. Таким параметрами являются сопротивление утечки Rут, эквивалентное последовательное сопротивление RЭПС (или ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность LЭПИ (или ESL). Разберём каждый параметр в отдельности.

Сопротивление утечки Rут конденсатора определяется как отношение постоянного напряжения, до которого заряжен конденсатор Uc к току утечки Iут

эквивалентную схему реального конденсатора изображённую ниже

Ток утечки существует в любом случае, так как сопротивление изоляции и диэлектрика не может быть бесконечным. Вследствие этого заряженный конденсатор с течением времени теряет некоторый заряд. Поэтому часто в документации на конденсаторы вводится параметр постоянная времени саморазряда конденсатора Т = RутС0.

Современные высококачественные конденсаторы имеют постоянную времени саморазряда несколько сотен тысяч часов.

Эквивалентное последовательное сопротивление RЭПС или ESR довольно важный параметр в некоторых схемах, в частности, в схемах выпрямления импульсных блоков питания и стабилизаторах напряжения. Связан с непосредственным сопротивлением обкладок конденсатора и его выводов, а также с потерями в диэлектрике. Довольно часто служит показателем исправности конденсатора и для его измерения используют приборы ESR-метры.

Эквивалентная последовательная индуктивность LЭПИ или ESL, данный параметр обусловлен, прежде всего, индуктивностью обкладок конденсатора и его выводов. Данный паразитный параметр вместе с емкостью конденсатора образует последовательный колебательный контур с собственной частотой резонанса. Поэтому для конденсаторов нормируется максимальная частота работы.

Тангенс угла потерь конденсатора tgδ характеризует работу конденсатора при переменном напряжении. В идеальном конденсаторе, в котором отсутствуют паразитные параметры tgδ = 90°. Но в реальных конденсаторах часть энергии рассеивается на сопротивлении обкладок и в диэлектрике, то есть на RЭПС вследствие чего tgδ отличается от 90° в меньшую сторону. Тангенс угла потерь вычисляется по следующему выражению

В следующих статьях я расскажу о работе конденсаторов при переменном напряжении, где проявляются основные свойства данного электронного компонента.

Теория это хорошо, но теория без практики - это просто сотрясание воздуха. Перейдя по ссылке всё это можно сделать своими руками

Скажи спасибо автору нажми на кнопку социальной сети

www.electronicsblog.ru

Принцип работы конденсатора | Бакарабан

В одной из статей мы поговорили о том, что такое конденсатор. Сейчас же хочется рассказать, как он работает и где используется.

Емкость

По своей сути, конденсатор – пассивный элемент электрической цепи, обладающий способностью накапливать электрический заряд и энергию. Мера этой способности – емкость, чем она выше тем больше энергии способен накопить конденсатор и освободить в дальнейшем.

Емкость измеряется в Фарадах (Ф = [Кл/В] = [А · с / В]), где А – сила тока, с – время, В — напряжение. Аккумулятор также имеет накопленный заряд, но конденсатор разряжается практически мгновенно, а аккумулятор – постепенно.

Типы соединения

 

Чтобы в цепи получить большую емкость, конденсаторы соединяют параллельно. Общая емкость будет равна С=С1+С2+…+Сn.  Такой тип нужен для устройств, которым требуется повышенный кратковременный заряд энергии, например, для запуска.

Если же их соединить последовательно, то общая емкость будет равна С = 1/С1+1/С2+…+1/Сn, то есть емкость минимальна, что позволяет исключить пробоя (сгорания конденсатора) при высоком напряжении. Последовательное соединение используют не так часто, как параллельное, так как сейчас можно найти конденсаторы очень малой емкости, работающих при повышенном напряжении, а такое соединение только усложнит цепь.

Существует также смешанный тип соединения, в зависимости от расположения и количества элементов, расчетная формула меняется.

Из чего состоит

Площадь пластины A должна быть намного больше расстояния d

В простейшем случае конденсатор состоит из двух обкладок и диэлектрика, который расположен между ними, но, в основном, это многослойное устройство.

В качестве диэлектрика в нем используются:

• Воздух
• Керамика
• Слюда
• Бумага
• Стекло
• Вакуум

 

Виды конденсаторов

• Бумажные конденсаторы

бумажный конденсатор

• Электролитические конденсаторы
  • Алюминиевые
  • Танталовые

электролитический конденсаторполимерный конденсатор

• Конденсатор переменной емкости

Конденсатор переменной емкостиконденсатор пленочныйконденсатор керамический

Принцип действия

Чтобы зарядить конденсатор, нужно подключить его обкладки к источнику тока, из-за того, что между пластинами конденсатора находиться диэлектрик, который не позволяет перейти разноименным зарядам на противоположную сторону, на одной пластине будут накапливаться положительные ионы, а на другой – отрицательные электроны.

 

Ток будет течь по проводнику до тех пор, пока на обкладках будет «место» для частиц, то есть пока не кончится емкость, в то же время будет расти напряжение.

В итоге, на двух пластинах будет заряд одинаковым по модулю, но разным по знаку. По мере заполнения обкладок, ток будет уменьшаться. После того, как конденсатор зарядился, его можно подключить к потребителю, например, к лампочке, будет резкая разрядка (электроны с одной пластины, устремятся к ионам на другой), лампа на короткое время загорится (это используется в фотоаппаратах, в качестве вспышки).

Ток будет течь по проводнику до тех пор, пока на обкладках есть разность потенциалов, то есть пока заряды на двух пластинах не станут одинаковыми по знаку, в то же время будет падать напряжение.

Хочется добавить, что это упрощенный разбор без углубления в расчеты, без различных формул, но для понимания принципа работы конденсатора эта статья будет полезна.

Спасибо за внимание!

 

Facebook

Twitter

Мой мир

Вконтакте

Одноклассники

Google+

bakaraban.ru

Назначение конденсатора и принцип его работы

Февраль 1, 2016, Электрика

Конденсатор (от латинского слова «condensare» — «уплотнять», «сгущать») — это двухполюсное устройство с определённой величиной или переменным значением ёмкости и малой проводимостью, которое способно сосредотачивать, накапливать и отдавать другим элементам электрической цепи заряд электрического тока.

Конденсатор или как его еще называют сокращенно просто «кондер» — это элемент электрической цепи, состоящий в самом простом варианте из двух электродов в форме пластин (или обкладок), которые накапливают противоположные разряды и поэтому они разделены между собой диэлектриком малой толщины по сравнению с размерами самих электропроводящих обкладок.На практике же, все выпускаемые конденсаторы представляют собой многослойные рулоны лент электродов в форме цилиндра или параллелепипеда, разделенных между собой слоями диэлектрика.

Принцип работы конденсатора

По принципу работы он схож с батарейкой только на первый взгляд, но все же он сильно отличается от него по принципу и скорости заряда-разряда, максимальной емкости.

Заряд конденсатора. В момент подключения к источнику питания оказывается больше всего места на электродах, поэтому и ток будет зарядки максимальным, но по мере накопления заряда, ток будет уменьшаться и пропадет полностью после полного заряда. При зарядке на одной пластине будут собираться отрицательно заряженные частицы- электроны, а на другой – ионы, положительно заряженные частицы. Диэлектрик выступает препятствием для их перескакивания на противоположную сторону конденсатора.При зарядке растет и напряжение с нуля перед началом зарядки и достигает в самом конце максимума, равного напряжению источника питания.

Разрядка конденсатора. Если после окончания зарядки отключить источник питания и подключить нагрузку R, то он сам превратится в источник тока. При подключении нагрузки образовывается цепь между пластинами. Отрицательно заряженные электроны двинуться через нагрузку к положительно заряженных ионам на другой пластине по закону притяжения между разноименными зарядами.В момент подключения нагрузки, начальный ток по закону Ома будет равняться величине напряжения на электродах (равного в конце зарядке конденсатора напряжению источника питания), разделенному на сопротивление нагрузки.После того как пошел ток, конденсатор начинает постепенно  терять заряд или разряжаться. Одновременно с этим начнет снижаться величина напряжения, соответственно по закону Ома и ток. В то же время чем выше уровень разряда обкладок, тем ниже будет скорость падения напряжения и силы тока. Процесс завершится после того, как напряжение на электродах конденсатора станет равно нулю.

Время зарядки конденсатора на прямую зависит от величины его емкости. Чем большей она величины, тем дольше будет проходить по цепи большее количество заряда.

Время разрядки зависит от величины подключенной нагрузки. Чем больше подключено сопротивление R, тем меньше будет ток разрядки.

Для чего нужен конденсатор

Конденсаторы широко используются во всех электронных и радиотехнических схемах. Они вместе с транзисторами и резисторами являются основой радиотехники.

Применение конденсаторов в электротехнических устройствах и бытовой технике:

• Важным свойством конденсатора в цепи переменного тока является его способность выступать в роли емкостного сопротивления (индуктивное у катушки). Если подключить последовательно конденсатор и лампочку к батарейке, то она не будет светиться. Но если подключить к источнику переменного тока, то она загорится. И светиться будет тем ярче, чем выше емкость конденсатора. Благодаря этому свойству они широко применяются в качестве фильтра, который способен довольно успешно подавлять  ВЧ и НЧ помехи, пульсации напряжения и скачки переменного тока.
• Благодаря способности конденсаторов долгое время накапливать заряд и затем быстро разряжаться в цепи с малым сопротивлением для создания импульса, делает их незаменимыми при производстве фотовспышек, ускорителей электромагнитного типа, лазеров и т. п.
• Способность конденсатора накапливать и сохранять электрический заряд на продолжительное время, сделало возможным использование его в элементах для сохранения информации. А так же в качестве источника питания для маломощных устройств. Например, пробника электрика, который достаточно вставить в розетку на пару секунд пока не зарядится в нем встроенный конденсатор и затем можно целый день прозванивать цепи с его помощью. Но к сожалению, конденсатор значительно уступает в способности накапливать электроэнергию аккумуляторной батареи из-за токов утечки (саморазряда) и неспособности накопить электроэнергию большой величины.
• Конденсаторы используются при подключении электродвигателя 380 на 220 Вольт. Он подключается к третьему выводу, и благодаря тому что он сдвигает фазу на 90 градусов на третьем выводе- становится возможным использования трехфазного мотора в однофазной сети 220 Вольт.
• В промышленности конденсаторные установки применяются для компенсации реактивной энергии.

В следующей статье мы рассмотрим подробно основные характеристики и типы конденсаторов.

Похожие записи :

gd-rus.com

Конденсатор - электронное устройство, принцип работы, функциональное назначение, разновидности.

Конденсатор (электро-, Capacitor — Eng.) — элемент электрической цепи, который обеспечивает кратковременное накопление энергии и быструю отдачу накопленного. Применяются в цепях фильтров питания, цепях межкаскадовых связей, а также для фильтрации помех.

Основной характеристикой является ёмкость. Измеряется в Фарадах (Ф, F). Фарад характеризует заряды, создаваемые электрическими полями.Емкость конденсатора пропорционально увеличивается с площадью обкладок и уменьшается с расстоянием между ними. Еще одной важным параметром конденсатора является рабочее напряжение. Напряжение это не с потолка берется, а характеризуется максимальным напряжением при превышении которого наступает пробой диэлектрика и выход конденсатора из строя. Качественные конденсаторы от дорожащих своим именем производителей, имеют солидный запас прочности и могут работать и на немного завышенных напряжениях без каких либо последствий. Потому именно их и стоит приобретать для лучшей стабильности и долговечности.

Существуют поляризированные и неполяризированные конденсаторы. При неправильном подключении поляризированного, он может выйти из строя из-за сильного нагрева, с последующим вскрытием или даже мини-взрывом.

Существует множество разновидностей конденсаторов.В относительно сложных электронных схемах обычно применяются электролитические, полимерные и керамические. К тому же если конденсаторы используются с цифровым оборудованием, желательно чтобы они имели низкое эквивалентное последовательное сопротивление (Low — ESR). Чтобы это получить, производители используют более качественные компоненты конденсатора. Если требуется Low-ESR конденсатор а вы поставили обычный, он будет довольно сильно нагреваться и быстро выйдет из строя. Может быть за пару дней или даже часов.

Электролитические — самые недолговечные, по причине постоянного испарения электролита, особенно при повышенной температуре или плохой герметичности конденсатора. Но тем не менее, они и самые распространённые по причине своей дешевизны.

В основном, имеют срок службы не более 50 000 часов, обычно же 10 — 20 000. При испарении или недостаточном количестве электролита вздуваются и даже разрываются с характерным хлопком. Вздутые конденсаторы — показатель того что необходимо его заменить во избежании проблем с питанием и общей стабильностью.

Твёрдотельные полимерные

Относительно долговечны, очень редко вздуваются и намного компактней электролитических. Большинство производителей компьютерной техники, полностью перешли на полимерные конденсаторы, даже в бюджетном секторе. Нюанс в том, что они дороже электролитических. Потому этот переход был постепенным и произошёл благодаря массовому производству и удешевлению полимерных конденсаторов.

Принцип работы схож с электролитическими конденсаторами, только вместо электролита используется вязкий полимерный материал. Он практически не испаряется и имеет лучшие показатели, чем обычный электролит.

Керамические

Керамические конденсаторы умеют накапливать энергию с малыми потерями по току, лучше фильтруют помехи и не вздуваются в тяжёлых эксплуатационных условиях. А ещё они не вскрываются и не взрываются (есть исключения в некоторых видах полимерных), забрызгивая электролитом остальные компоненты схемы.Имеют гораздо меньший размер в сравнении с электролитическими, меньше нагреваются. Срок службы 100 000 часов и более.

Не менее распространены танталовые конденсаторы, но применяются преимущественно в точной электронике с нанесением на саму плату. Танталовые конденсаторы, относятся к подвиду электролитических, но с натяжкой.

При малых размерах, имеют выдающиеся характеристики, а также долгий срок службы. Менее чувствительны к нефильтрованной высокочастотной составляющей, выносливы при работе с повышенной температурой, имеют низкий ESR.

www.xtechx.ru

Служат конденсаторы в электрической цепи. Принцип работы конденсатора

Они используются в таймерах, поскольку резисторы обеспечивают медленную зарядку и разрядку. Катушки индуктивности вместе с конденсаторами присутствуют в схемах колебательных контуров устройств приема-передачи. В различных конструкциях блоков питания они эффективно сглаживают пульсации напряжения после процесса выпрямления.

Через конденсаторы легко проходит , а задерживается. Это позволяет изготавливать фильтры разного назначения. В электрических и радиоэлектронных схемах, конденсаторы способствуют замедлению таких процессов, как увеличение или падение напряжения.

Конденсатор: принцип действия

Основной принцип работы конденсатора заключается в его способности к сохранению электрического заряда. То есть, он может в нужный момент заряжаться или разряжаться. Это свойство наиболее ярко проявляется при параллельном или последовательном соединении конденсатора с катушкой индуктивности в схемах передатчиков или радиоприемников.

Такое соединение позволяет получить периодическую смену полярности на пластинах. Вначале, производится зарядка первой пластины положительным зарядом, а, затем, вторая пластина принимает отрицательный заряд. После полной разрядки, происходит зарядка в обратном направлении. Вместо положительного заряда, пластина получает отрицательный заряд и, наоборот, отрицательная пластина заряжается положительно. Такая смена полярности происходит после каждого заряда и разряда. Данный принцип работы положен в основу генераторов, установленных в аналоговых приемопередающих устройствах.

Основная характеристика - электрическая емкость

Рассматривая принцип работы конденсатора, не следует забывать о такой его характеристике, как электрическая емкость. Прежде всего, она заключается в способности конденсатора к сохранению электрического заряда. То есть, чем выше емкость, тем большее значение заряда может быть сохранено.

Измерение электрической емкости конденсатора производится в фарадах и обозначается буквой F. Однако, одна фарада является очень большой емкостью, поэтому, на практике используются единицы меньшего значения, такие как микро-, нано- и пикофарады.

Представляет определенную сложность, в связи с различными вариантами маркировок.

С тех пор, как фон Клейст – не военачальник, священник – решил ухватить рукой банку (бутылку), заполненную водой, с опущенным туда электродом, прошло немало времени. Конструкций конденсаторов сегодня великое множество. Бессильны обещать рассмотреть 100%, дадим понятие о принципах работы конденсатора, технических характеристиках. Надеемся, обзор выйдет удачным.

Осторожно, работает конденсатор: история лейденской банки

Проще начать статическим зарядом. Отмечено учеными, проводник способен накапливать поверхностью электричество. Плотность распределения одинакова по площади. Ключевое отличие металлов от диэлектриков, накапливающих заряд. Обживая кусок железа, носители тока стремятся занять крайнее положение, отталкиваясь взаимно. В результате скапливаются равномерно по поверхности.

На принципе созданы генераторы, способные копить заряд потенциалом единицы миллионов вольт. При прикосновении к токонесущей части человек попросту испепелится. Аналогично действуют конденсаторы. Сформированы проводниками, площадь которых сильно увеличена. Достигается различными методами. В электролитических конденсаторах алюминиевая фольга скатывается рулоном. Небольшой цилиндр может содержать многие метры металлической ленты.

Поясним работу. Когда на металлической (проводящей поверхности) появляется заряд, начинается поверхностное распределение. В 1745 году священник-юрист Эвальд Юрген фон Клейст обнаружил: удерживая в руках банку с водой, может запасать внутри электричество. Ладонь служит проводящей обкладкой, объем жидкости (по внешней поверхности) - другой. Стекло выступает диэлектрическим барьером. При опускании в воду электрода носители стремятся занять крайнее положение, бороздя поверхность. Через стекло поле действует на ладонь, ответно начинаются схожие процессы (заряд притягивает носители противоположного знака).

Позже емкость догадались обернуть фольгой, получилась лейденская банка – первый дееспособный конденсатор на Земле, изобретенный человеком. Произошло, когда Питер ван Мушенбрук впечатлился силой полученного в процессе опыта ударом электричества. Стало понятно: опыты небезопасны, руку следует заменить. У

ruscos.ru

Конденсаторы: назначение, устройство, принцип действия - Статьи

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

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

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

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

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

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

Как устроен конденсатор

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

Рисунок 1. Устройство плоского конденсатора

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок. 2

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

Исторический факт

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

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

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

Немножко о диэлектриках

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

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

Электролитический конденсатор

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

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

На рисунке 3 показан один из таких конденсаторов.

Рисунок 3. Электролитический конденсатор

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

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

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

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

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

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

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

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

Конденсатор может накапливать энергию

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

Рисунок 4. Схема с конденсатором

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

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

Итак, схема собрана. Как она работает?

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

Рисунок 5. Процесс заряда конденсатора

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

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

Постоянная времени «тау» τ = R*C

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

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

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

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

Рисунок 6. График разряда конденсатора

Конденсатор не пропускает постоянный ток

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

Рисунок 7. Схема с конденсатором в цепи постоянного тока

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

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

Конденсатор в фильтрах питания

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

Рисунок 8. Схемы выпрямителей 

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

Для двухполупериодного выпрямителя емкость конденсатора фильтра можно рассчитать по формуле

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

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

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

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

Суперконденсатор – ионистор

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

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

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

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

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

www.alprof.info

назначение, устройство, принцип действия CVAVR.ru

Рассказать в: Конденсаторы, наряду с резисторами, являются одними из самых распространенных элементов в радиотехнических и электронных устройствах. Практически не существует устройств, в которых бы не применялись конденсаторы. Прежде всего, конденсаторы используются в качестве фильтров в выпрямителях и стабилизаторах напряжения (любой блок питания содержит в себе конденсаторы). Конденсаторы позволяют создавать временные интервалы необходимой выдержки и частоты в аналоговых схемах различных генераторов.

Первый прототип современного конденсатора появился в середине 18 века в Нидерландах. Питер ван Мушенбрук в своих опытах использовал стеклянную банку, выложенную внутри и снаружи оловянной фольгой (алюминий в те времена не использовался), заряд которой осуществлялся электрофорной машиной (единственный источник получения электрического тока в те времена). Позднее это устройство назовут лейденской банкой.

Рисунок 1

Устройство современного конденсатора аналогично устройству лейденской банки: две обкладки, между которыми находится диэлектрик. Емкость плоского конденсатора (измеряется в Фарадах) зависит от площади пластин (S), расстояния между пластинами (d) и диэлектрической проницаемости среды (ε). Геометрическая форма пластин конденсаторов может быть различной: для металлобумажных конденсаторов пластины выполняются в виде алюминиевой фольги свернутой вместе с диэлектриком в один клубок.

Рисунок 2

Приведенная формула для расчета емкости конденсаторов позволяет сделать вывод о том, что два проводника, расположенных рядом, обладают электрической емкостью. Это свойство проводников широко применяется в высокочастотной технике, при этом конденсаторы делаются в виде дорожек на печатной плате или в виде двух проводников.

Помимо емкости С, любой кабель характеризуется электрическим сопротивлением R. Как известно, RC-цепочка выступает в качестве интегрирующего звена в электронных схемах (рисунок 3). При входном импульсном сигнале на выходе сигнал искажается или, для сигналов незначительной мощности, может просто исчезнуть.

Рисунок 3

Из истории: первая попытка проложить трансатлантическую связь была предпринята в 1857 году. Однако, ученые не учли возможные искажения сигналов, которые могли возникнуть в кабеле, длиной более 4000 км. В результате телеграфный код в виде точек и тире, а по сути те же прямоугольные импульсы, искажались так, что на другом конце разобрать послание не удавалось. Лишь в 1865 году У. Томпсон предложил технологию передачи сигналов на дальние расстояния.

Диэлектрическая проницаемость среды ε и ток утечки

Увеличение диэлектрической проницаемости ε, исходя из формулы для расчета емкости конденсатора, повлечет возрастание емкости конденсатора. В большинстве случаев, в качестве диэлектриков в конденсаторах используются лавсан, полиэтилен или просто воздух. Если заменить эти диэлектрики, например спиртом или ацетоном, у которых диэлектрическая проницаемость существенно больше, то емкость конденсатора возрастет в 15…20 раз. Однако, диэлектрики с большой проницаемостью обладают достаточно высокой проводимостью, которая влияет на время разряда конденсатора через себя. Для описания этого свойства конденсаторов ввели термин тока утечки. Поэтому диэлектрики в конденсаторах характеризуются не только диэлектрической проводимостью, но и током утечки.

Электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы обладают наибольшей удельной емкостью, среди всех типов конденсаторов. Емкость таких элементов может достигать 100 000 мкФ, а рабочее напряжение – до 600 В. Электролитические конденсаторы применяются в низкочастотных схемах и фильтрах блоков питания. Большая емкость электролитических конденсаторов предполагает и существенные размеры таких элементов (рисунок 4).

Рисунок 4

Электролитические конденсаторы могут хранить накопленную энергию несколько лет, однако они достаточно чувствительны к возможным перенапряжениям в цепи. При больших напряжениях или неправильном использовании (включении обычного электролитического конденсатора в цепь переменного тока) конденсаторы нагреваются, а затем просто взрываются. Особенно взрыву подвержены старые советские конденсаторы.

Принцип действия конденсаторов

Основные принципы при работе конденсаторов рассмотрим на примере простой схемы (рисунок 5). В качестве конденсатора лучше использовать электролитический конденсатор большой емкости.

Рисунок 5

Работа схемы: для начала необходимо зарядить конденсатор от источника питания через резистор R (график заряда конденсатора изображен на рисунке 6). Напряжение заряда возрастает по экспоненте, а ток заряда – спадает по экспоненте. Время полного заряда конденсатора определяется произведением емкости самого конденсатора С, величины сопротивления R и постоянной составляющей (для рассматриваемого примера t=5*C*R=5*500*0.002= 5 секунд). Далее переключатель SA переводится во второе положение, что соответствует разряду конденсатора через нагрузку (лампу накаливания). График разряда конденсатора приведен на рисунке 7.

Рисунок 6

Рисунок 7

Рассмотрим еще одну схему включения конденсатора (рисунок 8). При замыкании контакта SA произойдет кратковременная вспышка лампочки EL. Повторное замыкание контакта к вспышке не приведет, так конденсатор уже зарядился.

Рисунок 8

Конденсаторы в блоках питания

Всем электронным устройствам необходимо постоянное напряжения для питания и работы. Любой блок питания состоит из трансформатора, выпрямителя (однополупериодного или длвухполупериодного) и фильтра (рисунок 9).

Рисунок 9

Подбор необходимого конденсатора для указанных схем можно выполнять исходя из следующих соотношений:

- для двухполупериодного выпрямителя

[size=16]C = Po / 2∙U∙f∙dU

где C - емкость конденсатора Ф, Po - мощность нагрузки Вт, U - напряжение на выходе выпрямителя В, f - частота переменного напряжения Гц, dU - амплитуда пульсаций В.

- для однополупериодного выпрямителя

C = Po / U∙f∙dU

- для трехфазного выпрямителя

C = Po / 3∙U∙f∙dU

Суперконденсатор – ионистор

Ионистор – новый класс электролитических конденсаторов (рисунок 10).

Рисунок 10

Ионисторы, по своим характеристикам сходны с обычными аккумуляторами. Заряд такого устройства происходит за несколько минут, а срок службы может превысить 40 000 часов.

Статьи по теме: Про резисторы для начинающих заниматься электроникой

Источник: http://ukrelektrik.com/publ/kondensatory_naznachenie_ustrojstvo_princip_dejstvija/1-1-0-1512

Раздел: [Статьи] Сохрани статью в: Оставь свой комментарий или вопрос:

cvavr.ru

---

• 
  Сервоприводы что такое
• 
  Формула расчета ампеража по мощности
• 
  Кто отвечает за освещение улиц
• 
  Единица измерения в си работы
• 
  Рэс цао
• 
  Контрольные кабели
• 
  Стартеры для ламп
• 
  Внеочередная проверка знаний когда проводится
• 
  Тип средства измерения это
• 
  Реакция якоря синхронной машины
• 
  Гту квоу