Последовательное соединение электролитических конденсаторов: Что дает последовательное соединение конденсаторов. Соединение конденсаторов

Что дает последовательное соединение конденсаторов. Соединение конденсаторов

Вопрос о том, как соединить конденсаторы может возникнуть у любого человека, интересующегося электроникой и пайкой . Чаще всего, необходимость в этом возникает в случаях отсутствия под рукой устройства подходящего номинала при сборке или ремонте какого-либо прибора.

К примеру, человеку нужно отремонтировать устройство, заменив в нем электролитический конденсатор ёмкостью 1000 микрофарад или больше, на руках подходящие по номиналу детали отсутствуют, но есть несколько изделий с меньшими параметрами. В этом случае есть три варианта выхода из сложившейся ситуации:

1. Поставить вместо конденсатора на 1000 микрофарад устройство с меньшим номиналом.
2. Поехать в ближайший магазин или радио-рынок для покупки подходящего варианта.
3. Соединить несколько элементов вместе для получения необходимой ёмкости.

От установки радиоэлемента меньшего номинала лучше отказаться, так как подобные эксперименты не всегда заканчиваются успешно. Можно съездить на рынок или в магазин, но это требует немало времени. Потому в сложившейся ситуации чаще соединяют несколько конденсаторов и получают необходимую емкость.

Параллельное соединение конденсаторов

Параллельная схема подключения конденсаторов предполагает соединение в две группы всех обкладок приборов. В одну группу соединяются первые выводы, а в другую группу – вторые выводы. На рисунке ниже представлен пример.

Конденсаторы, соединенные параллельно между собой, подключаются к одному источнику напряжения, поэтому на них существует две точки напряжения или разности потенциалов . Следует учитывать, что на всех выводах подключенных параллельно конденсаторов напряжение будет иметь одинаковую величину.

Параллельная схема образует из элементов единую ёмкость, величина которой равняется сумме ёмкостей всех подключенных в группу конденсаторов. При этом через конденсаторы в процессе работы устройства будет протекать ток разной величины. Параметры проходящего через изделия тока зависят от индивидуальной ёмкости устройства. Чем выше ёмкость, тем больший по величине ток пройдет через него. Формула, характеризующее параллельное соединение, имеет следующий вид:

Параллельная схема чаще всего используется в быту, она позволяет собрать необходимую ёмкость из любого числа отдельных, различных по номиналу элементов.

Последовательное соединение конденсаторов

Схема последовательного подключения представляет собой цепочку, в которой первая обкладка конденсатора соединяется со второй обкладкой предыдущего устройства, а вторая обкладка – с первой обкладкой следующего прибора. Первый вывод первого конденсатора и второй вывод последней детали в цепи соединяются с источником электрического тока, благодаря чему между ними осуществляется перераспределение электрических зарядов. Все промежуточные обкладки имеют одинаковые по величине заряды, чередующиеся по знаку.

На рисунке ниже представлен пример последовательного подключения.

Через соединенные в группу конденсаторы протекает ток одинаковой величины. Общая мощность ограничивается площадью обкладок устройства с наименьшим номиналом, так как после зарядки наименьшего по ёмкости устройства, вся цепь перестанет пропускать ток.

Несмотря на явные недостатки, данный способ обеспечивает увеличение изоляции между отдельными обкладками до суммы расстояний между выводами на всех последовательно соединенных конденсаторах. То есть, при последовательном соединении двух элементов с рабочим напряжением 200 В, изоляция между их выводами сможет выдерживать напряжение до 1000 В. Ёмкость по формуле:

Данный способ позволяет получить эквивалент меньшего по ёмкости конденсатора в группе, способной работать при высоких напряжениях. Всего этого можно достичь путем покупки одного единственного элемента подходящего номинала, потому на практике последовательные соединения практически не встречаются.

Эта формула актуальна для расчета общей ёмкости цепи последовательно соединенных двух конденсаторов. Для определения общей ёмкости цепи с большим числом приборов необходимо воспользоваться формулой:

Смешанная схема

Пример смешанной схемы подключения представлен ниже.

Чтобы определить общую ёмкость нескольких устройств, всю схему необходимо разделить на имеющиеся группы последовательного и параллельного соединения и рассчитать параметры ёмкости для каждой из них.

На практике данный способ встречаются на различных платах, с которыми приходиться работать радиолюбителям.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО, ПАРАЛЛЕЛЬНОГО И СМЕШАННОГО СОЕДИНЕНИЯ КОНДЕНСАТОРОВ

Цель работы:
Научиться составлять батареи конденсаторов и определять их емкость.

Теоретическая часть

Соединение конденсаторов параллельно

При параллельной схеме
подключения все обкладки конденсаторов соединяются в две группы, причем один вывод с каждого конденсатора соединяется в одну группу с другими, а второй — в другую. Наглядный пример параллельного соединения и схема

на картинке

Все параллельно соединенные
конденсаторы подключаются к одному источнику напряжения, поэтому существует на них две точки разности потенциалов или напряжения. На всех выводах конденсаторов будет абсолютно одинаковое напряжение.

При подключении параллельно все конденсаторы вместе, образуют принципиально одну емкость, величина которой будет равняться сумме всех емкостей подключенных в цепи конденсаторов. При параллельном подключении через каждый из конденсаторов потечет разный ток, который будет зависеть от величины емкости каждого из них. Чем выше емкость, тем больший ток потечет через неё.

Параллельное соединение
очень часто встречается в жизни. С его помощью можно из группы конденсаторов собрать любую необходимую емкость. Например, для запуска 3 фазного электродвигателя в однофазной сети 220 Вольт в результате расчетов Вы получили что необходима рабочая емкость 125 мкФ. Такой емкости конденсаторов Вы не найдете в продаже. Для того, что бы получить необходимую емкость придется купить и соединить параллельно 3 конденсатора один на 100 мкФ, второй- на 20, и третий на 5 мкФ.

Соединение конденсаторов последовательно

При последовательном соединении
конденсаторов каждая из обкладок соединяется только в одной точке с одной обкладкой другого кон­денсатора. Получается цепочка конденсаторов. Крайние два вывода подключаются к источнику тока, в результате чего происходит перераспределение между ними электрических зарядов. Заряды на всех промежуточных обкладках одинаковые величине с чередованием по знаку.

Через все соединенные конденсаторы последовательно протекает одинаковой величины ток, потому что у него нет другого пути прохождения.
Общая же емкость
будет ограничиваться площадью обкладок самого маленького по величине, потому что как только зарядится полностью конденсатор с самой маленькой емкостью- вся цепочка перестанет пропускать ток и заряд остальных прервется. Высчитывается же ем

кость по этой формуле:

Но при последовательном
соединении увеличивается расстояние (или изоляция) между обкладками до величины равной сумме расстояний между обкладками всех последовательно подключенных конденсаторов. Например, если взять два конденсатора с рабочим напряжением 200 Вольт и соединить последовательно, то изоляция между их обкладками сможет выдержать 1000 Вольт при подключении в схему.

Из выше сказанного можно сделать вывод
, что последовательно соединять необходимо:

1. Для получения
эквивалентного меньшего по емкости конденсатора.

2. Если необходима емкость
, работающая на более высоких напряжениях.

3. Для создания
емкостного делителя напряжения, который позволяет получить меньшей величины напряжение из более высокого.

Практически, для получения первого и второго достаточно просто купить один конденсатор с необходимой величиной емкости или рабочим напряжением. Поэтому данный метод соединения в жизни не встречается.

В этой статье мы попытаемся раскрыть тему соединения конденсаторов разными способам. Из статьи про соединения резисторов мы знаем,что существует последовательное, параллельное и смешанное соединение, это же правило справедливо и для этой статьи. Конденсатор (от лат. слова «condensare» — «уплотнять», «сгущать»)– это очень широко распространённый электрический прибор.

Это два проводника (обкладки), между которыми находится изоляционный материал. Если на него подать напряжение (U), то на его проводниках накопится электрический заряд(Q). Основная его характеристика – ёмкость (C). Свойства конденсатора описываются уравнением Q = UC , заряд на обкладках и напряжение прямо пропорциональны друг другу.

Условное обозначение конденсатора на схеме

Пусть на конденсатор подается переменное напряжение. Он заряжается по мере роста напряжения, электрический заряд на обкладках увеличивается. Если напряжение уменьшается, то уменьшается и заряд на его обкладках и он разряжается.

Отсюда следует, что по проводам, соединяющим конденсатор с остальной цепью, электрический ток протекает тогда, когда напряжение на конденсаторе изменяется. При этом не важно, что происходит в диэлектрике между проводниками. Сила тока равна общему заряду, протекшему в единицу времени по подключенному к конденсатору проводу. Она зависит от его емкости и скорости изменения питающего напряжения.

Ёмкость зависит от характеристик изоляции, а также размеров и формы проводника. Единица измерения ёмкости кондёра — фарада (Ф), 1 Ф=1 Кл/В. Однако на практике емкость измеряется чаще в микро- (10-6) или пико- (10-12) фарадах.

В основном используются конденсаторы для построения цепей с частотной зависимостью, для получения мощного короткого электрического импульса, там, где необходимо накапливать энергию. За счёт изменения свойств пространства между обкладками можно использовать их для измерения уровня жидкости.

Параллельное соединение

Параллельное соединение – это соединение, при котором выводы всех конденсаторов имеют две общие точки – назовём их входом и выходом схемы. Так все входы объединены в одной точке, а все выходы – в другой, напряжения на всех конденсаторах равны:

Параллельное соединение предполагает распределение полученного от источника заряда на обкладках нескольких конденсаторов, что можно записать так:

Так как напряжение на всех конденсаторах одинаковое, заряды на их обкладках зависят только от ёмкости:

Суммарная емкость параллельной группы конденсаторов:

Суммарная ёмкость такой группы конденсаторов равна сумме емкостей включенных в схему.

Блоки конденсаторов широко используются для повышения мощности и устойчивости работы энергосистем в линиях электропередач. При этом затраты на более мощные элементы линий можно снизить. Повышается стабильность работы ЛЭП, устойчивость ЛЭП к сбоям и перегрузкам.

Последовательное соединение

Последовательное соединение конденсаторов – это их подключение непосредственно друг за другом без разветвлений проводника. От источника напряжения заряды поступают на обкладки первого и последнего в цепи конденсаторов.

В силу электростатической индукции на внутренних обкладках смежных конденсаторов происходит выравнивание заряда на электрически соединённых обкладках смежных конденсаторов, поэтому на них появляются равные по величине и обратные по знаку электрические заряды.

При таком соединении электрические заряды на обкладках отдельных кондёров по величине равны:

Общее напряжение для всей цепи:

Очевидно, что напряжение между проводниками для каждого конденсатора зависит от накопленного заряда и ёмкости, т.е.:

Поэтому эквивалентная ёмкость последовательной цепи равна:

Отсюда следует, что величина, обратная общей емкости, равна сумме величин, обратных емкостям отдельных конденсаторов:

Смешанное соединение

Смешанным соединение конденсаторов называют такое соединение, при котором присутствует соединение последовательное и параллельное одновременно. Чтобы более подробно разобраться, давайте рассмотрим это соединение на примере:

На рисунке видно,что соединены два конденсатора последовательно вверху и внизу и два параллельно. Можно вывести формулу из выше описанных соединении:

Основой любой радиотехники является конденсатор, он используется в самых разнообразных схемах-это и источники питания и применение для аналоговых сигналов хранения данных, а также в телекоммуникационных связи для регулирования частоты.

У многих начинающих любителей электроники в процессе сборки самодельного устройства возникает вопрос: “Как правильно соединять конденсаторы?”

Казалось бы, зачем это надо, ведь если на принципиальной схеме указано, что в данном месте схемы должен быть установлен конденсатор на 47 микрофарад, значит, берём и ставим. Но, согласитесь, что в мастерской даже заядлого электронщика может не оказаться конденсатора с необходимым номиналом!

Похожая ситуация может возникнуть и при ремонте какого-либо прибора. Например, необходим электролитический конденсатор ёмкостью 1000 микрофарад, а под рукой лишь два-три на 470 микрофарад. Ставить 470 микрофарад, вместо положенных 1000? Нет, это допустимо не всегда. Так как же быть? Ехать на радиорынок за несколько десятков километров и покупать недостающую деталь?

Как выйти из сложившейся ситуации? Можно соединить несколько конденсаторов и в результате получить необходимую нам ёмкость. В электронике существует два способа соединения конденсаторов: параллельное
и последовательное
.

В реальности это выглядит так:

Параллельное соединение

Принципиальная схема параллельного соединения

Последовательное соединение

Принципиальная схема последовательного соединения

Также можно комбинировать параллельное и последовательное соединение. Но на практике вам вряд ли это пригодиться.

Как рассчитать общую ёмкость соединённых конденсаторов?

Помогут нам в этом несколько простых формул. Не сомневайтесь, если вы будете заниматься электроникой, то эти простые формулы рано или поздно вас выручат.

Общая ёмкость параллельно соединённых конденсаторов:

С 1 – ёмкость первого;

С 2 – ёмкость второго;

С 3 – ёмкость третьего;

С N – ёмкость N
-ого конденсатора;

C общ – суммарная ёмкость составного конденсатора.

Как видим, при параллельном соединении ёмкости нужно всего-навсего сложить!

Внимание!
Все расчёты необходимо производить в одних единицах. Если выполняем расчёты в микрофарадах, то нужно указывать ёмкость C 1
, C 2
в микрофарадах. Результат также получим в микрофарадах. Это правило стоит соблюдать, иначе ошибки не избежать!

Чтобы не допустить ошибку при переводе микрофарад в пикофарады, а нанофарад в микрофарады, необходимо знать сокращённую запись численных величин. Также в этом вам поможет таблица. В ней указаны приставки, используемые для краткой записи и множители, с помощью которых можно производить пересчёт. Подробнее об этом читайте .

Ёмкость двух последовательно соединённых конденсаторов можно рассчитать по другой формуле. Она будет чуть сложнее:

Внимание!
Данная формула справедлива только для двух конденсаторов! Если их больше, то потребуется другая формула. Она более запутанная, да и на деле не всегда пригождается .

Или то же самое, но более понятно:

Если вы проведёте несколько расчётов, то увидите, что при последовательном соединении результирующая ёмкость будет всегда меньше наименьшей, включённой в данную цепочку. Что это значить? А это значит, что если соединить последовательно конденсаторы ёмкостью 5, 100 и 35 пикофарад, то общая ёмкость будет меньше 5.

В том случае, если для последовательного соединения применены конденсаторы одинаковой ёмкости, эта громоздкая формула волшебным образом упрощается и принимает вид:

Здесь, вместо буквы M

ставиться количество конденсаторов, а C 1
– его ёмкость.

Стоит также запомнить простое правило:

При последовательном соединении двух конденсаторов с одинаковой ёмкостью результирующая ёмкость будет в два раза меньше ёмкости каждого из них.

Таким образом, если вы последовательно соедините два конденсатора, ёмкость каждого из которых 10 нанофарад, то в результате она составит 5 нанофарад.

Не будем пускать слов по ветру, а проверим конденсатор , замерив ёмкость, и на практике подтвердим правильность показанных здесь формул.

Возьмём два плёночных конденсатора. Один на 15 нанофарад (0,015 мкф.),а другой на 10 нанофарад (0,01 мкф.) Соединим их последовательно. Теперь возьмём мультиметр Victor VC9805+

и замерим суммарную ёмкость двух конденсаторов. Вот что мы получим (см. фото).

Замер ёмкости при последовательном соединении

Ёмкость составного конденсатора составила 6 нанофарад (0,006 мкф.)

А теперь проделаем то же самое, но для параллельного соединения. Проверим результат с помощью того же тестера (см. фото).

Измерение ёмкости при параллельном соединении

Как видим, при параллельном соединении ёмкость двух конденсаторов сложилась и составляет 25 нанофарад (0,025 мкф.).

Что ещё необходимо знать, чтобы правильно соединять конденсаторы?

Во-первых, не стоит забывать, что есть ещё один немаловажный параметр, как номинальное напряжение.

При последовательном соединении конденсаторов напряжение между ними распределяется обратно пропорционально их ёмкостям. Поэтому, есть смысл при последовательном соединении применять конденсаторы с номинальным напряжением равным тому, которое имеет конденсатор, взамен которого мы ставим составной.

Если же используются конденсаторы с одинаковой ёмкостью, то напряжение между ними разделится поровну.

Для электролитических конденсаторов.

Последовательное соединение электролитов

Схема последовательного соединения

Также не забывайте про номинальное напряжение. При параллельном соединении каждый из задействованных конденсаторов должен иметь то номинальное напряжение, как если бы мы ставили в схему один конденсатор. То есть если в схему нужно установить конденсатор с номинальным напряжением на 35 вольт и ёмкостью, например, 200 микрофарад, то взамен его можно параллельно соединить два конденсатора на 100 микрофарад и 35 вольт. Если хоть один из них будет иметь меньшее номинальное напряжение (например, 25 вольт), то он вскоре выйдет из строя.

Желательно, чтобы для составного конденсатора подбирались конденсаторы одного типа (плёночные, керамические, слюдяные, металлобумажные). Лучше всего будет, если они взяты из одной партии, так как в таком случае разброс параметров у них будет небольшой.

Конечно, возможно и смешанное (комбинированное) соединение, но в практике оно не применяется (я не видел ). Расчёт ёмкости при смешанном соединении обычно достаётся тем, кто решает задачи по физике или сдаёт экзамены:)

Тем же, кто не на шутку увлёкся электроникой непременно надо знать, как правильно соединять резисторы и рассчитывать их общее сопротивление!

Под последовательным соединением подразумевают случаи, когда два или больше элемента имеют вид цепи, при этом каждый из них соединяется с другим только в одной точке. Зачем конденсаторы так размещаются? Как это правильно сделать? Что необходимо знать? Какие особенности последовательное соединение конденсаторов имеет на практике? Какая формула результата?

Что необходимо знать для правильного соединения?

Увы, но здесь не всё так легко сделать, как может показаться. Многие новички думают, что если на схематическом рисунке написано, что необходим элемент на 49 микрофарад, то достаточно его просто взять и установить (или заменить равнозначным). Но необходимые параметры подобрать сложно даже в профессиональной мастерской. И что делать, если нет нужных элементов? Допустим, есть такая ситуация: необходим конденсатор на 100 микрофарад, а есть несколько штук на 47. Поставить его не всегда можно. Ехать на радиорынок за одним конденсатором? Не обязательно. Достаточно будет соединить пару элементов. Существует два основных способа: последовательное и параллельное соединение конденсаторов. Вот о первом мы и поговорим. Но если говорить про последовательное соединение катушки и конденсатора, то тут особых проблем нет.

Зачем так делают?

Когда с ними проводятся такие манипуляции, то электрические заряды на обкладках отдельных элементов будут равны: КЕ=К 1 =К 2 =К 3 . КЕ — конечная емкость, К — пропускаемое значение конденсатора. Почему так? Когда заряды поступают от источника питания на внешние обкладки, то на внутренних может быть осуществлен перенос величины, которая является значением элемента с наименьшими параметрами. То есть если взять конденсатор на 3 мкФ, а после него подсоединить на 1 мкФ — то конечный результат будет 1 мкФ. Конечно, на первом можно будет наблюдать значение в 3 мкФ. Но второй элемент не сможет столько пропустить, и он будет срезать всё, что больше необходимого значения, оставляя большую емкость на первоначальном конденсаторе. Давайте рассмотрим, что нужно рассчитать, когда делается последовательное соединение конденсаторов. Формула:

• ОЕ — общая емкость;
• Н — напряжение;
• КЕ — конечная емкость.

Что ещё необходимо знать, чтобы правильно соединить конденсаторы?

Для начала не забывайте, что кроме ёмкости они ещё обладают номинальным напряжением. Почему? Когда осуществляется последовательное соединение, то напряжение распределяется обратно пропорционально их ёмкостям между ними самими. Поэтому использовать такой подход имеет смысл только в тех случаях, когда любой конденсатор сможет предоставить минимально необходимые параметры работы. Если используются элементы, у которых одинаковая емкость, то напряжение между ними будет разделяться поровну. Также небольшое предостережение относительно электролитических конденсаторов: при работе с ними всегда внимательно контролируйте их полярность. Ибо при игнорировании этого фактора последовательное соединение конденсаторов может дать ряд нежелательных эффектов. И хорошо, если всё ограничится только пробоем данных элементов. Помните, что конденсаторы копят ток, и если что-то пойдёт не так, в зависимости от схемы может случиться прецедент, в результате которого из строя выйдут другие составляющие схемы.

Ток при последовательном соединении

Из-за того, что у него существует только один возможный путь протекания, он будет иметь одно значение для всех конденсаторов. При этом количество накопленного заряда везде обладает одинаковым значением. От емкости это не зависит. Посмотрите на любую схему последовательного соединения конденсаторов. Правая обкладка первого соединена с левой второго и так далее. Если используется больше 1 элемента, то часть из них будет изолированной от общей цепи. Таким образом, эффективная площадь обкладок становится меньшей и равняется параметрам самого маленького конденсатора. Какое физическое явление лежит в основе этого процесса? Дело в том, что как только конденсатор наполняется электрическим зарядом, то он перестаёт пропускать ток. И он тогда не может протекать по всей цепи. Остальные конденсаторы в таком случае тоже не смогут заряжаться.

Падение напряженности и общая емкость

Каждый элемент понемногу рассеивает напряжение. Учитывая, что емкость ему обратно пропорциональна, то чем она меньше, тем большим будет падение. Как уже упоминалось ранее, последовательно соединённые конденсаторы обладают одинаковым электрическим зарядом. Поэтому при делении всех выражений на общее значение можно получить уравнение, которое покажет всю емкость. В этом последовательное и параллельное соединение конденсаторов сильно разнятся.

Пример № 1

Давайте воспользуемся представленными в статье формулами и рассчитаем несколько практических задач. Итак, у нас есть три конденсатора. Их емкость составляет: С1 = 25 мкФ, С2 = 30 мкФ и С3 = 20 мкФ. Они соединены последовательно. Необходимо найти их общую емкость. Используем соответствующее уравнение 1/С: 1/С1 + 1/С2 + 1/С3 = 1/25 + 1/30 + 1/20 = 37/300. Переводим в микрофарады, и общая емкость конденсатора при последовательном соединении (а группа в данном случае считается как один элемент) составляет примерно 8,11 мкФ.

Пример № 2

Давайте, чтобы закрепить наработки, решим ещё одну задачу. Имеется 100 конденсаторов. Емкость каждого элемента составляет 2 мкФ. Необходимо определить их общую емкость. Нужно их количество умножить на характеристику: 100*2=200 мкФ. Итак, общая емкость конденсатора при последовательном соединении составляет 200 микрофарад. Как видите, ничего сложного.

Заключение

Итак, мы проработали теоретические аспекты, разобрали формулы и особенности правильного соединения конденсаторов (последовательно) и даже решили несколько задачек. Хочется напомнить, чтобы читатели не упускали из внимания влияние номинального напряжения. Также желательно, чтобы подбирались элементы одного типа (слюдяные, керамические, металлобумажные, плёночные). Тогда последовательное соединение конденсаторов сможет дать нам наибольший полезный эффект.

При последовательном соединении конденсаторов — Стройпортал Biokamin-Doma.ru

Последовательное и параллельное соединение конденсаторов

Для достижения нужной емкости или при напряжении, превышающем номинальное напряжение, конденсаторы, могут соединяться последовательно или параллельно. Любое же сложное соединение состоит из нескольких комбинаций последовательного и параллельного соединений.

Последовательное соединение конденсаторов

При последовательном соединении, конденсаторы подключены таким образом, что только первый и последний конденсатор подключены к источнику ЭДС/тока одной из своих пластин. Заряд одинаков на всех пластинах, но внешние заряжаются от источника, а внутренние образуются только за счет разделения зарядов ранее нейтрализовавших друг друга. При этом заряд конденсаторов в батарее меньше, чем, если бы каждый конденсатор подключался бы отдельно. Следовательно, и общая емкость батареи конденсаторов меньше.

Напряжение на данном участке цепи соотносятся следующим образом:

Зная, что напряжение конденсатора можно представить через заряд и емкость, запишем:

Сократив выражение на Q, получим знакомую формулу:

Откуда эквивалентная емкость батареи конденсаторов соединенных последовательно:

Параллельное соединение конденсаторов

При параллельном соединении конденсаторов напряжение на обкладках одинаковое, а заряды разные.

Величина общего заряда полученного конденсаторами, равна сумме зарядов всех параллельно подключенных конденсаторов. В случае батареи из двух конденсаторов:

Так как заряд конденсатора

А напряжения на каждом из конденсаторов равны, получаем следующее выражение для эквивалентной емкости двух параллельно соединенных конденсаторов

Пример 1

Какова результирующая емкость 4 конденсаторов включенных последовательно и параллельно, если известно что С₁ = 10 мкФ, C₂ = 2 мкФ, C₃ = 5 мкФ, а C₄ = 1 мкФ?

При последовательном соединении общая емкость равна:

При параллельном соединении общая емкость равна:

Пример 2

Определить результирующую емкость группы конденсаторов подключенных последовательно-параллельно, если известно, что С₁ = 7 мкФ, С₂ = 2 мкФ, С₃ = 1 мкФ.

Сначала найдем общую емкость параллельного участка цепи:

Затем найдем общую емкость для всей цепи:

По сути, расчет общей емкости конденсаторов схож с расчетом общего сопротивления цепи в случае с последовательным или параллельным соединением, но при этом, зеркально противоположен.

Соединение конденсаторов

Как правильно соединять конденсаторы?

У многих начинающих любителей электроники в процессе сборки самодельного устройства возникает вопрос: “Как правильно соединять конденсаторы?”

Казалось бы, зачем это надо, ведь если на принципиальной схеме указано, что в данном месте схемы должен быть установлен конденсатор на 47 микрофарад, значит, берём и ставим. Но, согласитесь, что в мастерской даже заядлого электронщика может не оказаться конденсатора с необходимым номиналом!

Похожая ситуация может возникнуть и при ремонте какого-либо прибора. Например, необходим электролитический конденсатор ёмкостью 1000 микрофарад, а под рукой лишь два-три на 470 микрофарад. Ставить 470 микрофарад, вместо положенных 1000? Нет, это допустимо не всегда. Так как же быть? Ехать на радиорынок за несколько десятков километров и покупать недостающую деталь?

Как выйти из сложившейся ситуации? Можно соединить несколько конденсаторов и в результате получить необходимую нам ёмкость. В электронике существует два способа соединения конденсаторов: параллельное и последовательное.

В реальности это выглядит так:

Параллельное соединение
Принципиальная схема параллельного соединения
Последовательное соединение
Принципиальная схема последовательного соединения

Также можно комбинировать параллельное и последовательное соединение. Но на практике вам вряд ли это пригодиться.

Как рассчитать общую ёмкость соединённых конденсаторов?

Помогут нам в этом несколько простых формул. Не сомневайтесь, если вы будете заниматься электроникой, то эти простые формулы рано или поздно вас выручат.

Общая ёмкость параллельно соединённых конденсаторов:

С₁ – ёмкость первого;

С₂ – ёмкость второго;

С₃ – ёмкость третьего;

С_N – ёмкость N-ого конденсатора;

C_общ – суммарная ёмкость составного конденсатора.

Как видим, при параллельном соединении ёмкости нужно всего-навсего сложить!

Внимание! Все расчёты необходимо производить в одних единицах. Если выполняем расчёты в микрофарадах, то нужно указывать ёмкость C₁, C₂ в микрофарадах. Результат также получим в микрофарадах. Это правило стоит соблюдать, иначе ошибки не избежать!

Чтобы не допустить ошибку при переводе микрофарад в пикофарады, а нанофарад в микрофарады, необходимо знать сокращённую запись численных величин. Также в этом вам поможет таблица. В ней указаны приставки, используемые для краткой записи и множители, с помощью которых можно производить пересчёт. Подробнее об этом читайте здесь.

Ёмкость двух последовательно соединённых конденсаторов можно рассчитать по другой формуле. Она будет чуть сложнее:

Внимание! Данная формула справедлива только для двух конденсаторов! Если их больше, то потребуется другая формула. Она более запутанная, да и на деле не всегда пригождается

.

Или то же самое, но более понятно:

Если вы проведёте несколько расчётов, то увидите, что при последовательном соединении результирующая ёмкость будет всегда меньше наименьшей, включённой в данную цепочку. Что это значить? А это значит, что если соединить последовательно конденсаторы ёмкостью 5, 100 и 35 пикофарад, то общая ёмкость будет меньше 5.

В том случае, если для последовательного соединения применены конденсаторы одинаковой ёмкости, эта громоздкая формула волшебным образом упрощается и принимает вид:

Здесь, вместо буквы M ставиться количество конденсаторов, а C₁ – его ёмкость.

Стоит также запомнить простое правило:

При последовательном соединении двух конденсаторов с одинаковой ёмкостью результирующая ёмкость будет в два раза меньше ёмкости каждого из них.

Таким образом, если вы последовательно соедините два конденсатора, ёмкость каждого из которых 10 нанофарад, то в результате она составит 5 нанофарад.

Не будем пускать слов по ветру, а проверим конденсатор, замерив ёмкость, и на практике подтвердим правильность показанных здесь формул.

Возьмём два плёночных конденсатора. Один на 15 нанофарад (0,015 мкф.),а другой на 10 нанофарад (0,01 мкф.) Соединим их последовательно. Теперь возьмём мультиметр Victor VC9805+ и замерим суммарную ёмкость двух конденсаторов. Вот что мы получим (см. фото).

Замер ёмкости при последовательном соединении

Ёмкость составного конденсатора составила 6 нанофарад (0,006 мкф.)

А теперь проделаем то же самое, но для параллельного соединения. Проверим результат с помощью того же тестера (см. фото).

Измерение ёмкости при параллельном соединении

Как видим, при параллельном соединении ёмкость двух конденсаторов сложилась и составляет 25 нанофарад (0,025 мкф. ).

Что ещё необходимо знать, чтобы правильно соединять конденсаторы?

Во-первых, не стоит забывать, что есть ещё один немаловажный параметр, как номинальное напряжение.

При последовательном соединении конденсаторов напряжение между ними распределяется обратно пропорционально их ёмкостям. Поэтому, есть смысл при последовательном соединении применять конденсаторы с номинальным напряжением равным тому, которое имеет конденсатор, взамен которого мы ставим составной.

Если же используются конденсаторы с одинаковой ёмкостью, то напряжение между ними разделится поровну.

Для электролитических конденсаторов.

При соединении электролитических конденсаторов (электролитов) строго соблюдайте полярность! При параллельном соединении всегда подключайте минусовой вывод одного конденсатора к минусовому выводу другого,а плюсовой вывод с плюсовым.

Параллельное соединение электролитов
Схема параллельного соединения

В последовательном соединении электролитов ситуация обратная. Необходимо подключать плюсовой вывод к минусовому. Получается что-то вроде последовательного соединения батареек.

Последовательное соединение электролитов
Схема последовательного соединения

Также не забывайте про номинальное напряжение. При параллельном соединении каждый из задействованных конденсаторов должен иметь то номинальное напряжение, как если бы мы ставили в схему один конденсатор. То есть если в схему нужно установить конденсатор с номинальным напряжением на 35 вольт и ёмкостью, например, 200 микрофарад, то взамен его можно параллельно соединить два конденсатора на 100 микрофарад и 35 вольт. Если хоть один из них будет иметь меньшее номинальное напряжение (например, 25 вольт), то он вскоре выйдет из строя.

Желательно, чтобы для составного конденсатора подбирались конденсаторы одного типа (плёночные, керамические, слюдяные, металлобумажные). Лучше всего будет, если они взяты из одной партии, так как в таком случае разброс параметров у них будет небольшой.

Конечно, возможно и смешанное (комбинированное) соединение, но в практике оно не применяется (я не видел

). Расчёт ёмкости при смешанном соединении обычно достаётся тем, кто решает задачи по физике или сдаёт экзамены 🙂

Тем же, кто не на шутку увлёкся электроникой непременно надо знать, как правильно соединять резисторы и рассчитывать их общее сопротивление!

Соединение конденсаторов: руководство для начинающих

В электротехнике существуют различные варианты подключения электрических элементов. В частности, существует последовательное, параллельное или смешанное соединение конденсаторов, в зависимости от потребностей схемы. Рассмотрим их.

Параллельное соединение

Параллельное соединение характеризуется тем, что все пластины электрических конденсаторов присоединяются к точкам включения и образовывают собой батареи. В таком случае, во время заряда конденсаторов каждый из них будет иметь различное число электрических зарядов при одинаковом количестве подводимой энергии

Схема параллельного крепления

Емкость при параллельной установке рассчитывается исходя из емкостей всех конденсаторов в схеме. При этом, количество электрической энергии, поступающей на все отдельные двухполюсные элементы цепи, можно будет рассчитать, суммировав сумму энергии, помещающейся в каждый конденсатор. Вся схема, подключенная таким образом, рассчитывается как один двухполюсник.

Схема — напряжение на накопителях

В отличие от соединения звездой, на обкладки всех конденсаторов попадает одинаковое напряжение. Например, на схеме выше мы видим, что:

Последовательное соединение

Здесь к точкам включения присоединяются контакты только первого и последнего конденсатора.

Схема — схема последовательного соединения

Главной особенностью работы схемы является то, что электрическая энергия будет проходить только по одному направлению, значит, что в каждом из конденсаторов ток будет одинаковым. В такой цепи для каждого накопителя, независимо от его емкости, будет обеспечиваться равное накопление проходящей энергии. Нужно понимать, что каждый из них последовательно соприкасается со следующим и предыдущим, а значит, емкость при последовательном типе может воспроизводиться энергией соседнего накопителя.

Формула, которая отражает зависимость тока от соединения конденсаторов, имеет такой вид:

i = i_c1 = i_c2 = i_c3 = i_c4, то есть токи проходящие через каждый конденсатор равны между собой.

Следовательно, одинаковой будет не только сила тока, но и электрический заряд. По формуле это определяется как:

А так определяется общая суммарная емкость конденсаторов при последовательном соединении:

Видео: как соединять конденсаторы параллельным и последовательным методом

Смешанное подключение

Но, стоит учитывать, что для соединения различных конденсаторов необходимо учитывать напряжение сети. Для каждого полупроводника этот показатель будет отличаться в зависимости от емкости элемента. Отсюда следует, что отдельные группы полупроводниковых двухполюсников малой емкости будут при зарядке становиться больше, и наоборот, электроемкость большого размера будет нуждаться в меньшем заряде.

Схема: смешанное соединение конденсаторов

Существует также смешанное соединение двух и более конденсаторов. Здесь электрическая энергия распределяется одновременно при помощи параллельного и последовательного подключения электролитических элементов в цепь. Эта схема имеет несколько участков с различным подключением конденсирующих двухполюсников. Иными словами, на одном цепь параллельно включена, на другом – последовательно. Такая электрическая схема имеет ряд достоинств сравнительно с традиционными:

1. Можно использовать для любых целей: подключения электродвигателя, станочного оборудования, радиотехнических приборов;
2. Простой расчет. Для монтажа вся схема разбивается на отдельные участки цепи, которые рассчитываются по отдельности;
3. Свойства компонентов не изменяются независимо от изменений электромагнитного поля, силы тока. Это очень важно при работе с разноименными двухполюсниками. Ёмкость постоянна при постоянном напряжении, но, при этом, потенциал пропорционален заряду;
4. Если требуется собрать несколько неполярных полупроводниковых двухполюсников из полярных, то нужно взять несколько однополюсных двухполюсника и соединить их встречно-параллельным способом (в треугольник). Минус к минусу, а плюс к плюсу. Таким образом, за счет увеличения емкости изменяется принцип работы двухполюсного полупроводника.

Последовательное соединение конденсаторов

Последовательное соединение конденсаторов – батарея, образованная цепочкой конденсаторов. Отсутствует ветвление, выход одного элемента подключается к входу следующего.

Физические процессы при последовательном соединении

При последовательном соединении конденсаторов заряд каждого равноценен. Обусловлено природным принципом равновесия. С источником соединены только крайние обкладки, другие заряжаются путем перераспределения меж ними зарядов. Используя равенство, находим:

q = q1 = q2 = U1 C1 = U2 C2, откуда запишем:

Напряжения меж конденсаторами распределяются обратно пропорционально номинальным емкостям. В сумме оба составляют вольтаж питающей сети. При разряде конструкция способна отдать заряд q вне зависимости от того, сколько конденсаторов включено последовательно. Емкость батареи найдем из формулы:

C = q/u = q/(U1 + U2), подставляя выражения, приведенные выше, приводя к общему знаменателю:

Вычисление общей емкости батареи

При последовательном соединении конденсаторов в батарею складываются величины, обратные номинальным емкостям. Приводя последнее выражение к общему знаменателю, переворачивая дроби, получаем:

Выражение используется для нахождения емкости батареи. Если конденсаторов более двух, формула усложняется. Для нахождения ответа номиналы перемножаются меж собой, выходит числитель дроби. В знаменатель ставят попарные произведения двух номиналов, перебирая комбинации. Практически иногда удобнее вести вычисление через обратные величины. Полученным результатом разделить единицу.

Соединение последовательное конденсаторов

Формула сильно упрощается, если номиналы батареи одинаковы. Требуется просто цифру поделить общим числом элементов, получая результирующее значение. Напряжение распределится равномерно, следовательно, достаточно номинал питающей сети разбить поровну на общее число. При питании аккумулятором 12 вольт, 4-х емкостях, на каждой упадет 3 вольта.

Одно упрощение сделаем для случая, когда номиналы равны, одна емкость включена переменная, чтобы подстраивать результат. Тогда максимальное напряжение каждого элемента удастся приближенно найти, разделив вольтаж источника уменьшенным на единицу количеством. Получится результат с заведомым запасом. Что касается переменной емкости, требования намного жёстче. В идеале рабочее значение перекрывает вольтаж источника.

Необходимость в последовательном соединении

На первый взгляд идея соединения конденсаторов батареей последовательным образом покажется лишенной смысла. Первое преимущество очевидно: падают требования к максимальному напряжению обкладок. Больше рабочий вольтаж, дороже изделие. Подобным образом мир видит радиолюбитель, владеющий рядом низковольтных конденсаторов, желающий применить железо составной частью высоковольтной цепи.

Рассчитывая по приведенным выше формулам действующие напряжения элементом, можно легко решить поставленную задачу. Рассмотрим для пущей наглядности пример:

Пусть установлены аккумулятор напряжением 12 вольт, три емкости номиналами 1, 2 и 4 нФ. Найдем напряжение при последовательном соединении элементов батареей.

Для нахождения трех неизвестных потрудитесь составить равное количество уравнения. Известно из курса высшей математики. Результат будет выглядеть следующим образом:

1. U1 + U2 + U3 = 12;
2. U1/U2 = 2/1 = 2, откуда запишем: U1 = 2U2;
3. U2/U3 = 4/2 = 2, откуда видно: U2 = 2U

Не сложно заметить, последние два выражения подставим первому, выразив 12 вольт через вольтаж третьего конденсатора. Получится следующее:

4U3 + 2U3 + U3 = 12, откуда находим, напряжение третьего конденсатора составляет 12/7 = 1,714 вольта, U2 – 3,43 вольта, U1 – 6,86 вольта. Сумма чисел дает 12, каждое меньше напряжения питающего аккумулятора. Причем тем больше разница, чем меньший номинал у соседей. Из этого правила следует: в последовательном соединении конденсаторы низкой емкости показывают большее рабочее напряжение. Найдем для определенности номинал составленной батареи, заодно проиллюстрируем формулу, поскольку выше описана чисто словесно:

С = С1С2С3/(С1С2 + С2С3 + С1С3) = 8/(2 + 8 + 4) = 8/14 = 571 пФ.

Результирующий номинал меньше каждого конденсатора, составляющего последовательное соединение. Из правила видно: максимальное влияние на суммарную емкость оказывает меньший. Следовательно, при необходимости подстройки полного номинала батареи должен быть переменный конденсатор. В противном случае поворот винта не окажет большого влияния на конечный результат.

Видим очередной подводный камень: после подстройки распределение напряжений по конденсаторам изменится. Просчитайте крайние случаи, дабы вольтаж не превысил рабочее значение для составляющих батарею элементов.

Программные пакеты исследования электрических цепей

Помимо онлайн- калькуляторов расчета последовательного соединения конденсаторов присутствуют и инструменты помощнее. Большой минус общедоступных средств объясняется нежеланием сайтов проверять программный код, значит, содержат ошибки. Плохо, если одна емкость выйдет из строя, сломленная процессом испытаний неправильно собранной схемы. Не единственный недостаток. Иногда схемы гораздо сложнее, разобраться комплексно невозможно.

В отдельных приборах встречаются фильтры высокой частоты, использующие конденсатор, включенные каскадами. Тогда на схеме помимо замыкания через резистор на землю образуется последовательное соединение емкостей. Обычно не применяют формулу, показанную выше. Принято считать, каждый каскад фильтра существует отдельно, результат прохождения сигнала описывается амплитудно-частотной характеристикой. Графиком, показывающим, как сильно обрежет на выходе спектральную составляющую сигнала.

Желающим провести ориентировочные расчеты рекомендуется ознакомиться с программным пакетом персонального компьютера Electronics Workbench. Конструктив выполнен по английским стандартам, потрудитесь учитывать нюанс: обозначение резисторов на электрической схеме изломанным зигзагом. Номиналы, названия элементов будут изложены на иностранный манер. Не мешает пользоваться оболочкой, предоставляющей оператору гору источников питания различного толка.

И главное – Electronics Workbench позволит задать контрольные точки на каждой, в режиме реального времени посмотреть напряжение, ток, спектр, форму сигнала. Полагается дополнить проект амперметром, вольтметром, прочими аналогичного толка приборами.

При помощи такого программного пакета смоделируете ситуацию, посмотрите, сколько падает напряжения на элементе батареи. Уберегает от громоздких расчетов, намного ускоряя процесс проектирования схемы. Одновременно исключаются ошибки. Легко и просто становится добавлять, удалять конденсаторы с немедленной оценкой результата.

Рабочий пример

Скрин показывает рабочий стол Electronics Workbench 5.12 с собранной электрической схемой последовательного соединения конденсаторов. Каждый емкостью 1 мкФ, одинаковые элементы взяты для целей демонстрации. Чтобы каждый мог без труда проверить правильность.

Последовательная батарея конденсаторов

Обратим вначале внимание на источник. Переменное напряжение частотой 60 Гц. В стране разработчика действует иной стандарт, нежели российские. Рекомендуется правой кнопкой мыши щелкнуть источник, посетить свойства, выставить:

1. Частоту (frequency) 50 Гц вместо 60 Гц.
2. Действующее значение напряжения (voltage) 220 вольт вместо 120.
3. Фазу (phase – имитация реактивности) взять согласно своим нуждам.

Для буквоедов будет полезно полистать свойства элементов цепи. У источника вольны задать допустимое отклонение напряжения (voltage tolerance) в процентах. Достаточно добавить один резистор размером 1 кОм, цепь становится фильтром верхних частот. Рекомендуется не упрощать действия. Поставить правильно знак заземления, убедиться: схема полностью тривиальна. В противном случае результаты заставят надолго поломать голову.

Проиллюстрированный скрином фильтр верхних частот обнаруживает подъем амплитудно-частотной характеристики в районе 1 кГц. При нахождении полосы пропускания необходимо учесть: вертикальная шкала логарифмическая. Посему срез на уровне 70% максимума не соответствует семи десятым высоты пологой части пика. Заядлым любителям будет интересна фазочастотная характеристика, в окне расположенная снизу.

Тот и другой график строятся из меню Analysis раздел AC Frequency. А еще тут… Fourier. Доступно посмотреть спектр выходного сигнала. В нашем случае не будет ничего интересного, поскольку собрали унылый пассивный фильтр, колебание на входе гармоническое. Гораздо интереснее наблюдать спектр импульсного сигнала.

Раздел Transient показывает отклик на подачу фронта питающего напряжения. На графике фактически представлен процесс заряда батареи, откуда найдем постоянную времени по уровню 0,7 максимума. Тонкости понятны желающим собрать сглаживающий фильтр амплитудного детектора. Как видно из графика, значение составляет 250 мкс. Параметр определяется из окна следующим образом:

1. Считается, за три постоянные времени цепи заряд конденсаторов, разряд производится приблизительно на 95%.
2. Легко заметить, точка находится в районе 800 мкс.
3. Следует разделить значение на три, получится постоянная времени батареи последовательно соединенных конденсаторов.

По-другому постоянная времени вычисляется произведением сопротивления на общую емкость батареи. Пользуясь приведенными выше формулами, вычислим: С = 1 мкФ / 4 = 250 нФ. Осталось умножить значение на 1000 Ом, получится 250 мкс. Программный пакет Electronics Workbench 5.12 при умелом использовании высвобождает уйму свободного времени.

Раздобыть программный пакет расчета электрики

В интернете бытует мнение: автором Electronics Workbench выступает дочерняя компания корпорации National Instruments, разрабатывающая программное обеспечение. Неправда. Из окна авторских прав упомянутого приложения видно: разработка выполнена отделом Interactive Image Technologies.

Вышеозначенное подразделение обрело самостоятельность в 1995 году. Отдел направленно занимался рекламными и обучающими материалами. Electronics Workbench разработан для целей обучения студентов Канады. Потом программный продукт распространился всемирно, с некоторых пор именуется Multisim.

Обновленный программный продукт продают официальные дилеры, перечень представлен официальным сайтом компании National Instruments: russia.ni.com/contact. На момент исследования счастливчиками, получившими право купить ПО не выезжая за город, назовем жителей Москвы, Санкт-Петербурга. Удачи решившимся связаться с официальными представителями, в Multisim добавлены новые фишки:

1. Более 36000 схемных элементов.
2. Возможность разработки печатных плат на основе собранной электрической схемы.
3. Продвинутые опции анализа вместо убогости, демонстрируемой скринам, версии 20-летней давности.

Соединение конденсаторов

В электрических цепях применяются различные способы соединения конденсаторов. Соединение конденсаторов может производиться: последовательно, параллельно и последовательно-параллельно (последнее иногда называют смешанное соединение конденсаторов). Существующие виды соединения конденсаторов показаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Способы соединения конденсаторов.

Параллельное соединение конденсаторов.

Если группа конденсаторов включена в цепь таким обра­зом, что к точкам включения непосредственно присоединены пластины всех конденсаторов, то такое соединение называется параллельным соединением конденсаторов (рисунок 2. ).

Рисунок 2. Параллельное соединение конденсаторов.

При заряде группы конденсаторов, соединенных параллель­но, между пластинами всех конденсаторов будет одна и та же разность потенциалов, так как все они заряжаются от одного и того же источника тока. Общее же количе­ство электричества на всех конденсаторах будет равно сумме количеств электричества, помещающихся на каждом из кон­денсаторов, так как заряд каждого их конденсаторов проис­ходит независимо от заряда других конденсаторов данной группы. Исходя из этого, всю систему параллельно соединен­ных конденсаторов можно рассматривать как один эквива­лентный (равноценный) конденсатор. Тогда общая емкость конденсаторов при параллельном соединении равна сумме емкостей всех соединенных конденсаторов.

Обозначим суммарную емкость соединенных в батарею конденсаторов бук­вой Собщ, емкость первого конденсатора С1 емкость второго С2 и емкость третьего С3. Тогда для параллельного соединения конденсаторов будет справедлива следующая формула:

Последний знак + и многоточие указывают на то, что этой формулой можно пользоваться при четырех, пяти и во­обще при любом числе конденсаторов.

Последовательное соединение конденсаторов.

Если же соединение конденсаторов в батарею производится в виде цепочки и к точкам включения в цепь непосредственно присоединены пластины только первого и последнего конденсаторов, то такое соединение конденсаторов называется последо­вательным (рисунок 3).

Рисунок 2. Последовательное соединение конденсаторов.

При последовательном соединении все конденса­торы заряжаются одинаковым количеством электричества, так как непосредственно от источника тока заряжаются только крайние пластины (1 и 6), а остальные пластины (2, 3, 4 и 5) заря­жаются через влияние. При этом заряд пла­стины 2 будет равен по величине и противо­положен по знаку за­ряду пластины 1, заряд пластины 3 будет равен по величине и противоположен по знаку заряду пла­стины 2 и т. д.

Напряжения на различных конденсаторах будут, вообще говоря, различными, так как для заряда одним и тем же количеством электричества конденсаторов различной емкости всегда требуются различные напряжения. Чем меньше емкость конденсатора, тем большее напряжение необходимо для того, чтобы зарядить этот конденсатор требуемым количеством электричества, и наоборот.

Таким образом, при заряде группы конденсаторов, соединенных последовательно, на конденсаторах малой емкости напряжения будут больше, а на конденсаторах большой емкости — меньше.

Аналогично предыдущему случаю можно рассматривать всю группу конденсаторов, соединенных последовательно, как один эквивалентный конденсатор, между пластинами которого существует напряжение, равное сумме напряжений на всех конденсаторах группы, а заряд которого равен заряду любого из конденсаторов группы.

Возьмем самый маленький конденсатор в группе. На нем должно быть самое большое напряжение. Но напряжение на этом конденсаторе составляет только часть общего напряже­ния, существующего на всей группе конденсаторов. Напря­жение на всей группе больше напряжения на конденсаторе, имеющем самую малую емкость. А отсюда непосредственно следует, что общая емкость группы конденсаторов, соединен­ных последовательно, меньше емкости самого малого конден­сатора в группе.

Для вычисления общей емкости при последовательном со­единении конденсаторов удобнее всего пользоваться следую­щей формулой:

Для частного случая двух последовательно соединенных конденсаторов формула для вычисления их общей емкости будет иметь вид:

Последовательно-параллельное (смешанное) соединение конденсаторов

Последовательно-параллельным соединением конденсаторов называется цепь имеющая в своем составе участки, как с параллельным, так и с последовательным соединением конденсаторов.

На рисунке 4 приведен пример участка цепи со смешанным соединением конденсаторов.

Рисунок 4. Последовательно-параллельное соединение конденсаторов.

При расчете общей емкости такого участка цепи с последовательно-параллельным соединением конденсаторов этот участок разбивают на простейшие участки, состоящие только из групп с последовательным или параллельным соединением конденсаторов. Дальше алгоритм расчета имеет вид:

1. Определяют эквивалентную емкость участков с последовательным соединением конденсаторов.

2. Если эти участки содержат последовательно соединенные конденсаторы, то сначала вычисляют их емкость.

3. После расчета эквивалентных емкостей конденсаторов перерисовывают схему. Обычно получается цепь из последовательно соединенных эквивалентных конденсаторов.

4. Рассчитывают емкость полученной схемы.

Один из примеров расчета емкости при смешанном соединении конденсаторов приведен на рисунке 5.

Рисунок 5. Пример расчета последовательно-параллельного соединения конденсаторов.

Подробнее о расчетах соединения конденсаторов можно узнать в мультимедийном учебнике по основам электротехники и электроники:

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Последовательное соединение конденсаторов

Конденсаторы, наряду с резисторами и диодами, входят в тройку наиболее распространённых электронных компонентов. Различные их соединения встречаются в подавляющем большинстве электробытовых приборов. Их можно встретить в персональных компьютерах, пылесосах, лампочках и даже смартфонах.

Как правильно соединять конденсаторы

Чтобы узнать, как подключить конденсатор правильно, нужно разобраться, к какому именно типу он относится. Данных электронных приборов существует огромное множество. Все конденсаторы подразделяются на две группы:

• полярные (электролитические) – подключая их, необходимо учитывать, где у детали плюсовой, а где минусовой контакт;
• неполярные (все остальные) – эти конденсаторы способны работать от переменного тока, у них не бывает положительных и отрицательных клемм.

Затем нужно учесть конструкцию электронного компонента. С этой точки зрения конденсаторы могут быть:

• Выводными. Подключаются к плате с помощью тонких медных ножек, покрытых (лужёных) для защиты слоем припоя.
• Для поверхностного монтажа (SMD). В основном применяются в компактной электронике. Очень миниатюрны, часто в поперечнике не превышают 1 мм.

Также важно принять во внимание рабочее напряжение конденсатора. Это особенно принципиально для электролитических приборов данного типа, ведь при превышении их номинального вольтажа они, вероятнее всего, взорвутся, разбрызгивая во все стороны кипящий электролит.

Важно! На крышке электролитического конденсатора имеются две насечки. Эти слабые места служат для мгновенной разгерметизации изделия в случае избыточного внутреннего давления. При ремонте и наладке оборудования следует избегать направленности насечек на лицо или одежду. При внештатной ситуации с их стороны может брызнуть горячий электролит.

Не менее критичен порог максимального напряжения и для прочих видов конденсаторов, особенно имеющих мелкие габариты и не способных длительно выдерживать перегрузки.

Последний, но не наименее важный фактор, который следует учесть при соединении конденсаторов, – это их ёмкость. Она измеряется в микрофарадах (в честь Майкла Фарадея). Это их главная характеристика, поэтому конденсаторы часто называют электрическими ёмкостями. В некоторых электронных устройствах этот параметр может существенно отклоняться как в меньшую, так и в большую сторону. В других – недопустимо погрешность и на 1 %.

Схема последовательного соединения

Последовательное соединение конденсаторов подразумевает, что правая ножка каждой предстоящей ёмкости будет подключена к левому выводу последующей. Иными словами, детали объединяются в цепь, в которой они идут друг за другом, как люди в длинной очереди в магазине.

Если подключаются электролитические конденсаторы, то плюс одной детали соединяется с минусом другой, по тому же принципу, как и батарейки в различных портативных гаджетах.

В случае с распаянными на плате SMD деталями у каждой детали есть своё место, подключаются они тонкими медными проводниками – дорожками при помощи паяльника (редко) или термофена.

При последовательном соединении двух и более ёмкостей их рабочее напряжение суммируется. Нередко такой подход используется радиолюбителями, когда у них нет детали на нужный вольтаж. Формула для вычисления рабочего напряжения линейки из n конденсаторов выглядит следующим образом:

Uобщ.посл = U1 + U2 + … + Un.

Здесь U1, U2… – максимальный вольтаж каждого отдельно взятого конденсатора.

С ёмкостью линейки последовательно включенных деталей всё обстоит иначе. Она наоборот снижается. Объясняется это конструктивными особенностями этих приборов, а именно виртуальным увеличением расстояния между их обкладками. При последовательном соединении общая ёмкость определяется следующим выражением:

1/Cобщ.посл = (1/С1) + (1/С2) + … + (1/Сn).

Здесь C1, C2… – ёмкости отдельных конденсаторов.

Имеется более простой расчет этого параметра, но он пригоден только в том случае, если подключены два конденсатора, не более:

Cобщ.посл = С1*С2/(С1 + С2).

Параллельное и комбинированное соединение

Выделяются другие способы соединения, а именно комбинированное и параллельное подключение конденсаторов. Для них справедливы иные физические законы.

Напряжение всей группы при параллельном соединёнии конденсаторов равно вольтажу самого наименьшего из них. Т.е., если имеется цепь из трёх конденсаторов на 16, 25 и 50 В, то максимум, который на них можно подать, это 16 В. В такой схеме к каждой отдельной ёмкости будет приложено полное напряжение источника питания.

Ёмкость такой батареи складывается. Вызвано это виртуальным сложением площадей обкладок всех отдельных конденсаторов. На языке физики это выглядит так:

Cобщ.пар = С1 + С2 + … + Сn.

Зачем нужно такое соединение? Оно используется для увеличения ёмкости конденсаторов, например, в высоковольтной части сварочных инверторов и многих мощных блоках питания.

Дополнительная информация. Параллельное соединение позволяет снизить общее внутреннее сопротивление сборки, следовательно, и её нагрев. Тем самым можно увеличить срок службы ёмкости.

Комбинированное (смешанное) соединение наиболее сложное. В нём встречаются как последовательные, так и параллельные элементы. Расчёт параметров таких схем даётся с опытом. Для простоты его принято изучать по треугольнику, разбивая на более простые части.

Из схемы очевидно, что конденсаторы C1 и C2 включены последовательно. Их общую ёмкость можно рассчитать по вышеописанной формуле – Cобщ.посл. Далее схема упрощается. Здесь уже имеются два параллельных конденсатора Cобщ.посл и C3. Вычисляется по вышестоящей формуле Cобщ.пар. В итоге сложный для восприятия элемент цепи превращается в один эквивалентный конденсатор. Данная методика описывает алгоритм упрощения, с помощью которого можно рассчитывать гораздо более сложные конденсаторные фигуры (квадрат, куб и т.п.).

Ток при последовательном соединении конденсаторов

Электрический ток бывает двух видов: постоянным и переменным. Для работы ёмкостей это имеет большое значение.

Конденсатор и постоянный ток

Постоянный ток через конденсатор не проходит вообще. Справедливо это и для линейки из последовательно соединённых ёмкостей. Объясняется такой эффект опять же конструкцией самого электронного прибора. Конденсатор имеет две металлические обкладки. В простых электролитических приборах они сделаны из алюминиевой фольги. Между ними расположен тонкий слой диэлектрика (оксид алюминия). Если приложить к обкладкам разность потенциалов (напряжение), то ток потечёт, но только очень короткое время, пока конденсатор полностью ни зарядится. Далее движение носителей заряда прекратится, т.к. они не смогут пройти через диэлектрик. В этот момент можно сказать, что электрический ток равен нулю, и конденсатор его не пропускает.

Конденсатор и переменный ток

При переменном токе носители заряда периодически меняют своё направление. В случае с бытовой сетью изменение происходит 50 раз в секунду. Поэтому говорят, что частота тока в розетке равна 50 Гц.

Важно! Конденсаторы способны накапливать и длительно удерживать заряд. При работе с ёмкостями, заряженными от сети 220 В, их всегда следует разряжать сопротивлением в 100-1000 ом. Несоблюдение правила однажды приведёт к неприятному удару током.

Конденсатор определённо пропустит переменный ток, но не факт, что весь. Количество носителей заряда, которые смогут пройти через этот электронный прибор, зависит от ёмкости конденсатора, приложенного к нему напряжения и частоты смены направления зарядов. Математически это выражается так:

Здесь I – это электрический ток с частотой f, проходящий через конденсатор ёмкостью C, если к его обкладкам приложить напряжение U. 2 – просто число, а p = 3.14.

Такая способность конденсаторов ограничивать переменный ток широко применяется в аудиотехнике для построения различных звуковых фильтров. Изменяя ёмкость, можно влиять на частоту сигнала, которую она пропускает.

Падение напряженности и общая емкость

Ёмкость конденсатора – это величина, определяющая количество заряда, который он способен в себе сохранить. Выражение имеет следующий вид:

Здесь q – заряд, накопленный между обкладками конденсатора, U – напряжение к ним приложенное.

Вышеописанная формула представляет общий случай. На практике при расчете ёмкости конденсатора следует учитывать ряд других переменных:

где:

• E0 – электрическая постоянная, равная 8,85*10-12 Ф/м,
• E – диэлектрическая проницаемость среды, в которой располагаются обкладки конденсатора,
• S – их площадь пересечения,
• d – расстояние между обкладками.

Стандартная модель конденсатора имеет следующий вид.

Обкладки чаще всего изготовлены из тонкого листового алюминия и скручены в рулон. Делается это для увеличения их площади, ведь так ёмкость конденсатора становится существенно больше.

От выбора диэлектрика, устанавливаемого производителем между обкладками конденсатора, зависит номинальное и максимальное напряжение прибора. Это, в свою очередь, определяет его сферу применения. Если к обкладкам приложить чрезмерную разность потенциалов, то напряжённость поля между ними превысит допустимый уровень, и произойдёт пробой диэлектрика. Подобная ситуация особенно пагубно влияет на электролитические конденсаторы и ионисторы. В случае их пробоя прибор частично или полностью теряет способность накапливать заряд и в дальнейшем становится непригодным для работы.

При последовательном и параллельном включении разных конденсаторов существенно изменяются их характеристики. Данное свойство этих деталей активно используется инженерами-электронщиками и радиолюбителями. Знание принципов подключения позволяет им более продуктивно разрабатывать новые устройства.

Видео

Последовательное подключение конденсаторов — Стройпортал Biokamin-Doma.ru

Соединение конденсаторов: руководство для начинающих

В электротехнике существуют различные варианты подключения электрических элементов. В частности, существует последовательное, параллельное или смешанное соединение конденсаторов, в зависимости от потребностей схемы. Рассмотрим их.

Параллельное соединение

Параллельное соединение характеризуется тем, что все пластины электрических конденсаторов присоединяются к точкам включения и образовывают собой батареи. В таком случае, во время заряда конденсаторов каждый из них будет иметь различное число электрических зарядов при одинаковом количестве подводимой энергии

Схема параллельного крепления

Емкость при параллельной установке рассчитывается исходя из емкостей всех конденсаторов в схеме. При этом, количество электрической энергии, поступающей на все отдельные двухполюсные элементы цепи, можно будет рассчитать, суммировав сумму энергии, помещающейся в каждый конденсатор. Вся схема, подключенная таким образом, рассчитывается как один двухполюсник.

Схема — напряжение на накопителях

В отличие от соединения звездой, на обкладки всех конденсаторов попадает одинаковое напряжение. Например, на схеме выше мы видим, что:

Последовательное соединение

Здесь к точкам включения присоединяются контакты только первого и последнего конденсатора.

Схема — схема последовательного соединения

Главной особенностью работы схемы является то, что электрическая энергия будет проходить только по одному направлению, значит, что в каждом из конденсаторов ток будет одинаковым. В такой цепи для каждого накопителя, независимо от его емкости, будет обеспечиваться равное накопление проходящей энергии. Нужно понимать, что каждый из них последовательно соприкасается со следующим и предыдущим, а значит, емкость при последовательном типе может воспроизводиться энергией соседнего накопителя.

Формула, которая отражает зависимость тока от соединения конденсаторов, имеет такой вид:

i = i_c1 = i_c2 = i_c3 = i_c4, то есть токи проходящие через каждый конденсатор равны между собой.

Следовательно, одинаковой будет не только сила тока, но и электрический заряд. По формуле это определяется как:

А так определяется общая суммарная емкость конденсаторов при последовательном соединении:

Видео: как соединять конденсаторы параллельным и последовательным методом

Смешанное подключение

Но, стоит учитывать, что для соединения различных конденсаторов необходимо учитывать напряжение сети. Для каждого полупроводника этот показатель будет отличаться в зависимости от емкости элемента. Отсюда следует, что отдельные группы полупроводниковых двухполюсников малой емкости будут при зарядке становиться больше, и наоборот, электроемкость большого размера будет нуждаться в меньшем заряде.

Схема: смешанное соединение конденсаторов

Существует также смешанное соединение двух и более конденсаторов. Здесь электрическая энергия распределяется одновременно при помощи параллельного и последовательного подключения электролитических элементов в цепь. Эта схема имеет несколько участков с различным подключением конденсирующих двухполюсников. Иными словами, на одном цепь параллельно включена, на другом – последовательно. Такая электрическая схема имеет ряд достоинств сравнительно с традиционными:

1. Можно использовать для любых целей: подключения электродвигателя, станочного оборудования, радиотехнических приборов;
2. Простой расчет. Для монтажа вся схема разбивается на отдельные участки цепи, которые рассчитываются по отдельности;
3. Свойства компонентов не изменяются независимо от изменений электромагнитного поля, силы тока. Это очень важно при работе с разноименными двухполюсниками. Ёмкость постоянна при постоянном напряжении, но, при этом, потенциал пропорционален заряду;
4. Если требуется собрать несколько неполярных полупроводниковых двухполюсников из полярных, то нужно взять несколько однополюсных двухполюсника и соединить их встречно-параллельным способом (в треугольник). Минус к минусу, а плюс к плюсу. Таким образом, за счет увеличения емкости изменяется принцип работы двухполюсного полупроводника.

Соединение конденсаторов

Как правильно соединять конденсаторы?

У многих начинающих любителей электроники в процессе сборки самодельного устройства возникает вопрос: “Как правильно соединять конденсаторы?”

Казалось бы, зачем это надо, ведь если на принципиальной схеме указано, что в данном месте схемы должен быть установлен конденсатор на 47 микрофарад, значит, берём и ставим. Но, согласитесь, что в мастерской даже заядлого электронщика может не оказаться конденсатора с необходимым номиналом!

Похожая ситуация может возникнуть и при ремонте какого-либо прибора. Например, необходим электролитический конденсатор ёмкостью 1000 микрофарад, а под рукой лишь два-три на 470 микрофарад. Ставить 470 микрофарад, вместо положенных 1000? Нет, это допустимо не всегда. Так как же быть? Ехать на радиорынок за несколько десятков километров и покупать недостающую деталь?

Как выйти из сложившейся ситуации? Можно соединить несколько конденсаторов и в результате получить необходимую нам ёмкость. В электронике существует два способа соединения конденсаторов: параллельное и последовательное.

В реальности это выглядит так:

Параллельное соединение
Принципиальная схема параллельного соединения
Последовательное соединение
Принципиальная схема последовательного соединения

Также можно комбинировать параллельное и последовательное соединение. Но на практике вам вряд ли это пригодиться.

Как рассчитать общую ёмкость соединённых конденсаторов?

Помогут нам в этом несколько простых формул. Не сомневайтесь, если вы будете заниматься электроникой, то эти простые формулы рано или поздно вас выручат.

Общая ёмкость параллельно соединённых конденсаторов:

С₁ – ёмкость первого;

С₂ – ёмкость второго;

С₃ – ёмкость третьего;

С_N – ёмкость N-ого конденсатора;

C_общ – суммарная ёмкость составного конденсатора.

Как видим, при параллельном соединении ёмкости нужно всего-навсего сложить!

Внимание! Все расчёты необходимо производить в одних единицах. Если выполняем расчёты в микрофарадах, то нужно указывать ёмкость C₁, C₂ в микрофарадах. Результат также получим в микрофарадах. Это правило стоит соблюдать, иначе ошибки не избежать!

Чтобы не допустить ошибку при переводе микрофарад в пикофарады, а нанофарад в микрофарады, необходимо знать сокращённую запись численных величин. Также в этом вам поможет таблица. В ней указаны приставки, используемые для краткой записи и множители, с помощью которых можно производить пересчёт. Подробнее об этом читайте здесь.

Ёмкость двух последовательно соединённых конденсаторов можно рассчитать по другой формуле. Она будет чуть сложнее:

Внимание! Данная формула справедлива только для двух конденсаторов! Если их больше, то потребуется другая формула. Она более запутанная, да и на деле не всегда пригождается

.

Или то же самое, но более понятно:

Если вы проведёте несколько расчётов, то увидите, что при последовательном соединении результирующая ёмкость будет всегда меньше наименьшей, включённой в данную цепочку. Что это значить? А это значит, что если соединить последовательно конденсаторы ёмкостью 5, 100 и 35 пикофарад, то общая ёмкость будет меньше 5.

В том случае, если для последовательного соединения применены конденсаторы одинаковой ёмкости, эта громоздкая формула волшебным образом упрощается и принимает вид:

Здесь, вместо буквы M ставиться количество конденсаторов, а C₁ – его ёмкость.

Стоит также запомнить простое правило:

При последовательном соединении двух конденсаторов с одинаковой ёмкостью результирующая ёмкость будет в два раза меньше ёмкости каждого из них.

Таким образом, если вы последовательно соедините два конденсатора, ёмкость каждого из которых 10 нанофарад, то в результате она составит 5 нанофарад.

Не будем пускать слов по ветру, а проверим конденсатор, замерив ёмкость, и на практике подтвердим правильность показанных здесь формул.

Возьмём два плёночных конденсатора. Один на 15 нанофарад (0,015 мкф.),а другой на 10 нанофарад (0,01 мкф.) Соединим их последовательно. Теперь возьмём мультиметр Victor VC9805+ и замерим суммарную ёмкость двух конденсаторов. Вот что мы получим (см. фото).

Замер ёмкости при последовательном соединении

Ёмкость составного конденсатора составила 6 нанофарад (0,006 мкф.)

А теперь проделаем то же самое, но для параллельного соединения. Проверим результат с помощью того же тестера (см. фото).

Измерение ёмкости при параллельном соединении

Как видим, при параллельном соединении ёмкость двух конденсаторов сложилась и составляет 25 нанофарад (0,025 мкф.).

Что ещё необходимо знать, чтобы правильно соединять конденсаторы?

Во-первых, не стоит забывать, что есть ещё один немаловажный параметр, как номинальное напряжение.

При последовательном соединении конденсаторов напряжение между ними распределяется обратно пропорционально их ёмкостям. Поэтому, есть смысл при последовательном соединении применять конденсаторы с номинальным напряжением равным тому, которое имеет конденсатор, взамен которого мы ставим составной.

Если же используются конденсаторы с одинаковой ёмкостью, то напряжение между ними разделится поровну.

Для электролитических конденсаторов.

При соединении электролитических конденсаторов (электролитов) строго соблюдайте полярность! При параллельном соединении всегда подключайте минусовой вывод одного конденсатора к минусовому выводу другого,а плюсовой вывод с плюсовым.

Параллельное соединение электролитов
Схема параллельного соединения

В последовательном соединении электролитов ситуация обратная. Необходимо подключать плюсовой вывод к минусовому. Получается что-то вроде последовательного соединения батареек.

Последовательное соединение электролитов
Схема последовательного соединения

Также не забывайте про номинальное напряжение. При параллельном соединении каждый из задействованных конденсаторов должен иметь то номинальное напряжение, как если бы мы ставили в схему один конденсатор. То есть если в схему нужно установить конденсатор с номинальным напряжением на 35 вольт и ёмкостью, например, 200 микрофарад, то взамен его можно параллельно соединить два конденсатора на 100 микрофарад и 35 вольт. Если хоть один из них будет иметь меньшее номинальное напряжение (например, 25 вольт), то он вскоре выйдет из строя.

Желательно, чтобы для составного конденсатора подбирались конденсаторы одного типа (плёночные, керамические, слюдяные, металлобумажные). Лучше всего будет, если они взяты из одной партии, так как в таком случае разброс параметров у них будет небольшой.

Конечно, возможно и смешанное (комбинированное) соединение, но в практике оно не применяется (я не видел

). Расчёт ёмкости при смешанном соединении обычно достаётся тем, кто решает задачи по физике или сдаёт экзамены 🙂

Тем же, кто не на шутку увлёкся электроникой непременно надо знать, как правильно соединять резисторы и рассчитывать их общее сопротивление!

Соединение конденсаторов

В электрических цепях применяются различные способы соединения конденсаторов. Соединение конденсаторов может производиться: последовательно, параллельно и последовательно-параллельно (последнее иногда называют смешанное соединение конденсаторов). Существующие виды соединения конденсаторов показаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Способы соединения конденсаторов.

Параллельное соединение конденсаторов.

Если группа конденсаторов включена в цепь таким обра­зом, что к точкам включения непосредственно присоединены пластины всех конденсаторов, то такое соединение называется параллельным соединением конденсаторов (рисунок 2.).

Рисунок 2. Параллельное соединение конденсаторов.

При заряде группы конденсаторов, соединенных параллель­но, между пластинами всех конденсаторов будет одна и та же разность потенциалов, так как все они заряжаются от одного и того же источника тока. Общее же количе­ство электричества на всех конденсаторах будет равно сумме количеств электричества, помещающихся на каждом из кон­денсаторов, так как заряд каждого их конденсаторов проис­ходит независимо от заряда других конденсаторов данной группы. Исходя из этого, всю систему параллельно соединен­ных конденсаторов можно рассматривать как один эквива­лентный (равноценный) конденсатор. Тогда общая емкость конденсаторов при параллельном соединении равна сумме емкостей всех соединенных конденсаторов.

Обозначим суммарную емкость соединенных в батарею конденсаторов бук­вой Собщ, емкость первого конденсатора С1 емкость второго С2 и емкость третьего С3. Тогда для параллельного соединения конденсаторов будет справедлива следующая формула:

Последний знак + и многоточие указывают на то, что этой формулой можно пользоваться при четырех, пяти и во­обще при любом числе конденсаторов.

Последовательное соединение конденсаторов.

Если же соединение конденсаторов в батарею производится в виде цепочки и к точкам включения в цепь непосредственно присоединены пластины только первого и последнего конденсаторов, то такое соединение конденсаторов называется последо­вательным (рисунок 3).

Рисунок 2. Последовательное соединение конденсаторов.

При последовательном соединении все конденса­торы заряжаются одинаковым количеством электричества, так как непосредственно от источника тока заряжаются только крайние пластины (1 и 6), а остальные пластины (2, 3, 4 и 5) заря­жаются через влияние. При этом заряд пла­стины 2 будет равен по величине и противо­положен по знаку за­ряду пластины 1, заряд пластины 3 будет равен по величине и противоположен по знаку заряду пла­стины 2 и т. д.

Напряжения на различных конденсаторах будут, вообще говоря, различными, так как для заряда одним и тем же количеством электричества конденсаторов различной емкости всегда требуются различные напряжения. Чем меньше емкость конденсатора, тем большее напряжение необходимо для того, чтобы зарядить этот конденсатор требуемым количеством электричества, и наоборот.

Таким образом, при заряде группы конденсаторов, соединенных последовательно, на конденсаторах малой емкости напряжения будут больше, а на конденсаторах большой емкости — меньше.

Аналогично предыдущему случаю можно рассматривать всю группу конденсаторов, соединенных последовательно, как один эквивалентный конденсатор, между пластинами которого существует напряжение, равное сумме напряжений на всех конденсаторах группы, а заряд которого равен заряду любого из конденсаторов группы.

Возьмем самый маленький конденсатор в группе. На нем должно быть самое большое напряжение. Но напряжение на этом конденсаторе составляет только часть общего напряже­ния, существующего на всей группе конденсаторов. Напря­жение на всей группе больше напряжения на конденсаторе, имеющем самую малую емкость. А отсюда непосредственно следует, что общая емкость группы конденсаторов, соединен­ных последовательно, меньше емкости самого малого конден­сатора в группе.

Для вычисления общей емкости при последовательном со­единении конденсаторов удобнее всего пользоваться следую­щей формулой:

Для частного случая двух последовательно соединенных конденсаторов формула для вычисления их общей емкости будет иметь вид:

Последовательно-параллельное (смешанное) соединение конденсаторов

Последовательно-параллельным соединением конденсаторов называется цепь имеющая в своем составе участки, как с параллельным, так и с последовательным соединением конденсаторов.

На рисунке 4 приведен пример участка цепи со смешанным соединением конденсаторов.

Рисунок 4. Последовательно-параллельное соединение конденсаторов.

При расчете общей емкости такого участка цепи с последовательно-параллельным соединением конденсаторов этот участок разбивают на простейшие участки, состоящие только из групп с последовательным или параллельным соединением конденсаторов. Дальше алгоритм расчета имеет вид:

1. Определяют эквивалентную емкость участков с последовательным соединением конденсаторов.

2. Если эти участки содержат последовательно соединенные конденсаторы, то сначала вычисляют их емкость.

3. После расчета эквивалентных емкостей конденсаторов перерисовывают схему. Обычно получается цепь из последовательно соединенных эквивалентных конденсаторов.

4. Рассчитывают емкость полученной схемы.

Один из примеров расчета емкости при смешанном соединении конденсаторов приведен на рисунке 5.

Рисунок 5. Пример расчета последовательно-параллельного соединения конденсаторов.

Подробнее о расчетах соединения конденсаторов можно узнать в мультимедийном учебнике по основам электротехники и электроники:

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Последовательное и параллельное соединение конденсаторов

Для достижения нужной емкости или при напряжении, превышающем номинальное напряжение, конденсаторы, могут соединяться последовательно или параллельно. Любое же сложное соединение состоит из нескольких комбинаций последовательного и параллельного соединений.

Последовательное соединение конденсаторов

При последовательном соединении, конденсаторы подключены таким образом, что только первый и последний конденсатор подключены к источнику ЭДС/тока одной из своих пластин. Заряд одинаков на всех пластинах, но внешние заряжаются от источника, а внутренние образуются только за счет разделения зарядов ранее нейтрализовавших друг друга. При этом заряд конденсаторов в батарее меньше, чем, если бы каждый конденсатор подключался бы отдельно. Следовательно, и общая емкость батареи конденсаторов меньше.

Напряжение на данном участке цепи соотносятся следующим образом:

Зная, что напряжение конденсатора можно представить через заряд и емкость, запишем:

Сократив выражение на Q, получим знакомую формулу:

Откуда эквивалентная емкость батареи конденсаторов соединенных последовательно:

Параллельное соединение конденсаторов

При параллельном соединении конденсаторов напряжение на обкладках одинаковое, а заряды разные.

Величина общего заряда полученного конденсаторами, равна сумме зарядов всех параллельно подключенных конденсаторов. В случае батареи из двух конденсаторов:

Так как заряд конденсатора

А напряжения на каждом из конденсаторов равны, получаем следующее выражение для эквивалентной емкости двух параллельно соединенных конденсаторов

Пример 1

Какова результирующая емкость 4 конденсаторов включенных последовательно и параллельно, если известно что С₁ = 10 мкФ, C₂ = 2 мкФ, C₃ = 5 мкФ, а C₄ = 1 мкФ?

При последовательном соединении общая емкость равна:

При параллельном соединении общая емкость равна:

Пример 2

Определить результирующую емкость группы конденсаторов подключенных последовательно-параллельно, если известно, что С₁ = 7 мкФ, С₂ = 2 мкФ, С₃ = 1 мкФ.

Сначала найдем общую емкость параллельного участка цепи:

Затем найдем общую емкость для всей цепи:

По сути, расчет общей емкости конденсаторов схож с расчетом общего сопротивления цепи в случае с последовательным или параллельным соединением, но при этом, зеркально противоположен.

Последовательное соединение конденсаторов

Конденсаторы, наряду с резисторами и диодами, входят в тройку наиболее распространённых электронных компонентов. Различные их соединения встречаются в подавляющем большинстве электробытовых приборов. Их можно встретить в персональных компьютерах, пылесосах, лампочках и даже смартфонах.

Как правильно соединять конденсаторы

Чтобы узнать, как подключить конденсатор правильно, нужно разобраться, к какому именно типу он относится. Данных электронных приборов существует огромное множество. Все конденсаторы подразделяются на две группы:

• полярные (электролитические) – подключая их, необходимо учитывать, где у детали плюсовой, а где минусовой контакт;
• неполярные (все остальные) – эти конденсаторы способны работать от переменного тока, у них не бывает положительных и отрицательных клемм.

Затем нужно учесть конструкцию электронного компонента. С этой точки зрения конденсаторы могут быть:

• Выводными. Подключаются к плате с помощью тонких медных ножек, покрытых (лужёных) для защиты слоем припоя.
• Для поверхностного монтажа (SMD). В основном применяются в компактной электронике. Очень миниатюрны, часто в поперечнике не превышают 1 мм.

Также важно принять во внимание рабочее напряжение конденсатора. Это особенно принципиально для электролитических приборов данного типа, ведь при превышении их номинального вольтажа они, вероятнее всего, взорвутся, разбрызгивая во все стороны кипящий электролит.

Важно! На крышке электролитического конденсатора имеются две насечки. Эти слабые места служат для мгновенной разгерметизации изделия в случае избыточного внутреннего давления. При ремонте и наладке оборудования следует избегать направленности насечек на лицо или одежду. При внештатной ситуации с их стороны может брызнуть горячий электролит.

Не менее критичен порог максимального напряжения и для прочих видов конденсаторов, особенно имеющих мелкие габариты и не способных длительно выдерживать перегрузки.

Последний, но не наименее важный фактор, который следует учесть при соединении конденсаторов, – это их ёмкость. Она измеряется в микрофарадах (в честь Майкла Фарадея). Это их главная характеристика, поэтому конденсаторы часто называют электрическими ёмкостями. В некоторых электронных устройствах этот параметр может существенно отклоняться как в меньшую, так и в большую сторону. В других – недопустимо погрешность и на 1 %.

Схема последовательного соединения

Последовательное соединение конденсаторов подразумевает, что правая ножка каждой предстоящей ёмкости будет подключена к левому выводу последующей. Иными словами, детали объединяются в цепь, в которой они идут друг за другом, как люди в длинной очереди в магазине.

Если подключаются электролитические конденсаторы, то плюс одной детали соединяется с минусом другой, по тому же принципу, как и батарейки в различных портативных гаджетах.

В случае с распаянными на плате SMD деталями у каждой детали есть своё место, подключаются они тонкими медными проводниками – дорожками при помощи паяльника (редко) или термофена.

При последовательном соединении двух и более ёмкостей их рабочее напряжение суммируется. Нередко такой подход используется радиолюбителями, когда у них нет детали на нужный вольтаж. Формула для вычисления рабочего напряжения линейки из n конденсаторов выглядит следующим образом:

Uобщ.посл = U1 + U2 + … + Un.

Здесь U1, U2… – максимальный вольтаж каждого отдельно взятого конденсатора.

С ёмкостью линейки последовательно включенных деталей всё обстоит иначе. Она наоборот снижается. Объясняется это конструктивными особенностями этих приборов, а именно виртуальным увеличением расстояния между их обкладками. При последовательном соединении общая ёмкость определяется следующим выражением:

1/Cобщ.посл = (1/С1) + (1/С2) + … + (1/Сn).

Здесь C1, C2… – ёмкости отдельных конденсаторов.

Имеется более простой расчет этого параметра, но он пригоден только в том случае, если подключены два конденсатора, не более:

Cобщ.посл = С1*С2/(С1 + С2).

Параллельное и комбинированное соединение

Выделяются другие способы соединения, а именно комбинированное и параллельное подключение конденсаторов. Для них справедливы иные физические законы.

Напряжение всей группы при параллельном соединёнии конденсаторов равно вольтажу самого наименьшего из них. Т.е., если имеется цепь из трёх конденсаторов на 16, 25 и 50 В, то максимум, который на них можно подать, это 16 В. В такой схеме к каждой отдельной ёмкости будет приложено полное напряжение источника питания.

Ёмкость такой батареи складывается. Вызвано это виртуальным сложением площадей обкладок всех отдельных конденсаторов. На языке физики это выглядит так:

Cобщ.пар = С1 + С2 + … + Сn.

Зачем нужно такое соединение? Оно используется для увеличения ёмкости конденсаторов, например, в высоковольтной части сварочных инверторов и многих мощных блоках питания.

Дополнительная информация. Параллельное соединение позволяет снизить общее внутреннее сопротивление сборки, следовательно, и её нагрев. Тем самым можно увеличить срок службы ёмкости.

Комбинированное (смешанное) соединение наиболее сложное. В нём встречаются как последовательные, так и параллельные элементы. Расчёт параметров таких схем даётся с опытом. Для простоты его принято изучать по треугольнику, разбивая на более простые части.

Из схемы очевидно, что конденсаторы C1 и C2 включены последовательно. Их общую ёмкость можно рассчитать по вышеописанной формуле – Cобщ.посл. Далее схема упрощается. Здесь уже имеются два параллельных конденсатора Cобщ.посл и C3. Вычисляется по вышестоящей формуле Cобщ.пар. В итоге сложный для восприятия элемент цепи превращается в один эквивалентный конденсатор. Данная методика описывает алгоритм упрощения, с помощью которого можно рассчитывать гораздо более сложные конденсаторные фигуры (квадрат, куб и т.п.).

Ток при последовательном соединении конденсаторов

Электрический ток бывает двух видов: постоянным и переменным. Для работы ёмкостей это имеет большое значение.

Конденсатор и постоянный ток

Постоянный ток через конденсатор не проходит вообще. Справедливо это и для линейки из последовательно соединённых ёмкостей. Объясняется такой эффект опять же конструкцией самого электронного прибора. Конденсатор имеет две металлические обкладки. В простых электролитических приборах они сделаны из алюминиевой фольги. Между ними расположен тонкий слой диэлектрика (оксид алюминия). Если приложить к обкладкам разность потенциалов (напряжение), то ток потечёт, но только очень короткое время, пока конденсатор полностью ни зарядится. Далее движение носителей заряда прекратится, т.к. они не смогут пройти через диэлектрик. В этот момент можно сказать, что электрический ток равен нулю, и конденсатор его не пропускает.

Конденсатор и переменный ток

При переменном токе носители заряда периодически меняют своё направление. В случае с бытовой сетью изменение происходит 50 раз в секунду. Поэтому говорят, что частота тока в розетке равна 50 Гц.

Важно! Конденсаторы способны накапливать и длительно удерживать заряд. При работе с ёмкостями, заряженными от сети 220 В, их всегда следует разряжать сопротивлением в 100-1000 ом. Несоблюдение правила однажды приведёт к неприятному удару током.

Конденсатор определённо пропустит переменный ток, но не факт, что весь. Количество носителей заряда, которые смогут пройти через этот электронный прибор, зависит от ёмкости конденсатора, приложенного к нему напряжения и частоты смены направления зарядов. Математически это выражается так:

Здесь I – это электрический ток с частотой f, проходящий через конденсатор ёмкостью C, если к его обкладкам приложить напряжение U. 2 – просто число, а p = 3.14.

Такая способность конденсаторов ограничивать переменный ток широко применяется в аудиотехнике для построения различных звуковых фильтров. Изменяя ёмкость, можно влиять на частоту сигнала, которую она пропускает.

Падение напряженности и общая емкость

Ёмкость конденсатора – это величина, определяющая количество заряда, который он способен в себе сохранить. Выражение имеет следующий вид:

Здесь q – заряд, накопленный между обкладками конденсатора, U – напряжение к ним приложенное.

Вышеописанная формула представляет общий случай. На практике при расчете ёмкости конденсатора следует учитывать ряд других переменных:

где:

• E0 – электрическая постоянная, равная 8,85*10-12 Ф/м,
• E – диэлектрическая проницаемость среды, в которой располагаются обкладки конденсатора,
• S – их площадь пересечения,
• d – расстояние между обкладками.

Стандартная модель конденсатора имеет следующий вид.

Обкладки чаще всего изготовлены из тонкого листового алюминия и скручены в рулон. Делается это для увеличения их площади, ведь так ёмкость конденсатора становится существенно больше.

От выбора диэлектрика, устанавливаемого производителем между обкладками конденсатора, зависит номинальное и максимальное напряжение прибора. Это, в свою очередь, определяет его сферу применения. Если к обкладкам приложить чрезмерную разность потенциалов, то напряжённость поля между ними превысит допустимый уровень, и произойдёт пробой диэлектрика. Подобная ситуация особенно пагубно влияет на электролитические конденсаторы и ионисторы. В случае их пробоя прибор частично или полностью теряет способность накапливать заряд и в дальнейшем становится непригодным для работы.

При последовательном и параллельном включении разных конденсаторов существенно изменяются их характеристики. Данное свойство этих деталей активно используется инженерами-электронщиками и радиолюбителями. Знание принципов подключения позволяет им более продуктивно разрабатывать новые устройства.

Видео

Как соединить конденсаторы

В предыдущих статьях были рассмотрены вопросы работы и характеристики конденсаторов. Сейчас Я расскажу о всех методах соединения конденсаторов для подключения в схему. Сразу скажу, что в жизни практически везде, за исключением редких случаев используется только параллельная схема подключения.

Следует знать, что в цепи переменного тока конденсатор выступает еще как емкостное сопротивление. При чем с увеличением величины емкости конденсатора- уменьшается сопротивление в цепи переменного тока.

Параллельное соединение конденсаторов

При параллельной схеме подключения все обкладки конденсаторов соединяются в две группы, причем один вывод с каждого конденсатора соединяется в одну группу с другими, а второй — в другую. Наглядный пример параллельного соединения и схема на картинке.

Все параллельно соединенные конденсаторы подключаются к одному источнику напряжения, поэтому существует на них две точки разности потенциалов или напряжения. На всех выводах конденсаторов будет абсолютно одинаковое напряжение.

При подключении параллельно все конденсаторы вместе, образуют принципиально одну емкость, величина которой будет равняться сумме всех емкостей подключенных в цепи конденсаторов.

При параллельном подключении через каждый из конденсаторов потечет разный ток, который будет зависеть от величины емкости каждого из них. Чем выше емкость, тем больший ток потечет через неё.

Параллельное соединение очень часто встречается в жизни. С его помощью можно из группы конденсаторов собрать любую необходимую емкость. Например, для запуска 3 фазного электродвигателя в однофазной сети 220 Вольт в результате расчетов Вы получили что необходима рабочая емкость 125 мкФ. Такой емкости конденсаторов Вы не найдете в продаже. Для того, что бы получить необходимую емкость придется купить и соединить параллельно 3 конденсатора один на 100 мкФ, второй- на 20, и третий на 5 мкФ.

Соединение конденсаторов последовательно

При последовательном соединении конденсаторов каждая из обкладок соединяется только в одной точке с одной обкладкой другого кон­денсатора. Получается цепочка конденсаторов. Крайние два вывода подключаются к источнику тока, в результате чего происходит перераспределение между ними электрических зарядов. Заряды на всех промежуточных обкладках одинаковые величине с чередованием по знаку.

Через все соединенные конденсаторы последовательно протекает одинаковой величины ток, потому что у него нет другого пути прохождения.
Общая же емкость будет ограничиваться площадью обкладок самого маленького по величине, потому что как только зарядится полностью конденсатор с самой маленькой емкостью- вся цепочка перестанет пропускать ток и заряд остальных прервется. Высчитывается же емкость по этой формуле:

Но при последовательном соединении увеличивается расстояние (или изоляция) между обкладками до величины равной сумме расстояний между обкладками всех последовательно подключенных конденсаторов. Например, если взять два конденсатора с рабочим напряжением 200 Вольт и соединить последовательно, то изоляция между их обкладками сможет выдержать 1000 Вольт при подключении в схему.

Из выше сказанного можно сделать вывод, что последовательно соединять необходимо:

1. Для получения эквивалентного меньшего по емкости конденсатора.
2. Если необходима емкость, работающая на более высоких напряжениях.
3. Для создания емкостного делителя напряжения, который позволяет получить меньшей величины напряжение из более высокого.

Практически, для получения первого и второго достаточно просто купить один конденсатор с необходимой величиной емкости или рабочим напряжением. Поэтому данный метод соединения в жизни не встречается.

Смешанное соединение конденсаторов

Встречается смешанное соединение только на различных платах. Для него характерно наличие в одной цепи параллельного и последовательного соединения конденсаторов. При чем смешанное соединение может быть как последовательного, так параллельного характера.

В жизни подробные знания о смешанном соединении могут только пригодится радиолюбителям, поэтому не буду на этом подробно останавливаться.

Из следующей статьи Вы узнаете как правильно проверить и определить емкость конденсатора.

Все о встречно-последовательном соединении электролитических конденсаторов | Минус фунт

Некогда очень популярна была схема пуска трехфазного асинхронного двигателя в однофазное напряжение. Для этого использовались специальные схемы с пусковыми и рабочими конденсаторами. Конденсаторы должны были быть рассчитанными на работу в цепи переменного тока, выдерживать возникающие в схеме напряжения, а при мощности двигателя до одного киловатта обладать значительной электрической емкостью.

При отсутствии неполярных (бумажных или биполярных электролитических) конденсаторов потребители были вынуждены использовать полярные электролитические конденсаторы, подобрав их по емкости и рабочему напряжению, и включая их встречно-последовательно по особым схемам.

В литературе и сети можно найти следующие 5 схем включения электролитических конденсаторов в качестве неполярных:

Разберем вначале схемы, совершенно неработоспособные; но, тем не менее, приводимые как возможность замены неполярного конденсатора двумя электролитическими (схема г) или даже одним (схема д).

Очевидно, сторонники схемы г ошибочно предполагали (даже не потрудившись сделать опытную проверку), что одна полуволна переменного тока будет протекать по конденсатору C1 через полупроводниковый диод VD1, а другая — по конденсатору C2 через диод VD2. Тем самым, якобы и во внешней цепи ток будет протекать непрерывно, а каждый из конденсаторов будет работать лишь в соответствии со своей полярностью.

По факту, каждый из конденсаторов зарядится до амплитуды приложенного переменного напряжения, оба диода окажутся заперты, и ток во внешней цепи будет отсутствовать. Можно рассмотреть «работу» схемы и иначе. Это — известная схема выпрямителя с удвоением напряжения, при подключении нагрузки к точкам A и B. Поскольку нагрузки нет, отсутствуют как ток нагрузки, так и ток во внешней цепи.

Схема д также неработоспособна. Это мостовой выпрямитель без нагрузки, также не потребляющий от сети тока.

Работоспособны лишь схемы а, б и в. Схема б работает лучше схемы а, благодаря наличию двух полупроводниковых диодов. В схеме в диоды работают в более «мягком» режиме благодаря наличию токоограничивавшего резистора R1.

Это было введение. А теперь — основное содержание статьи, содержащее сведения и графики, которые вы вряд ли еще где встречали в сжатом виде и применительно к теме статьи. Причина проста — схемы встречного включения электролитических конденсаторов не рассматриваются в учебниках электротехники, поскольку эти схемы «противозаконны». А в практических пособиях приводятся лишь схемы, с краткими указаниями по необходимой емкости и рабочему напряжению конденсаторов, исходя из мощности запускаемого асинхронного электродвигателя, схемы соединения его обмоток (звезда или треугольник, либо какая иная), и напряжения сети. Мы и намерены заполнить данной статьей «серую» зону между теорией и практикой.

Начнем с электролитического конденсатора. По своей конструкции этот конденсатор полярен, и его включение в схему допускается лишь согласно обозначенной на нем полярности (+/-).

При правильном включении конденсатор способен длительно выдерживать приложенное постоянное напряжение в пределах своего рабочего напряжения, переполюсовка же может привести к взрыву конденсатора (некоторые конденсаторы, на этот случай, снабжены «предохранительным клапаном» в виде резиновой пробки в коротком патрубке).

Причины — в разном сопротивлении конденсатора при включении его в прямом и обратном направлениях. Но рассуждения о сопротивлении слишком общие, лучше рассмотреть вольт-амперную характеристику (ВАХ) электролитического конденсатора. Понятие ВАХ является обычным для нелинейных элементов, например, полупроводниковых диодов; для электролитических конденсаторов эти характеристики не принято приводить, но ничто не мешает снять подобную характеристику самостоятельно, измерив зависимость между напряжением на конденсаторе и током через него.

Ниже пример подобной характеристики для электролитического конденсатора емкостью 500 мкФ и рабочим напряжением 50 В.

Не правда ли, ВАХ электролитического конденсатора (толстая синяя линия) схожа с ВАХ полупроводникового диода? Только напряжение отсечки (отсекается на оси напряжений касательной к правой ветви ВАХ, штриховая тонкая серая линия)) не 0,2-0,6 В, а все 12 В. Но при обратном напряжении порядка 2-3 В ток через конденсатор практически отсутствует.

Известно, что прямое падение напряжения на выпрямительном диоде снижает выходное напряжение выпрямителя, так и падение напряжения на включенном противополярно электролитическом конденсаторе ухудшает характеристики результирующего неполярного конденсатора и приводит к нагреву конденсатора.

Этот недостаток устраняется подключением к конденсаторам диодов, т.е. переходу от схемы а к схеме б. Схема б и является идеальной для использования электролитических конденсаторов взамен неполярного. Разберем работу схемы, считая диоды и конденсаторы идеальными.

Не следует представлять, как это иногда делается, что каждый из диодов в течение «своего» полупериода пропускает ток, проходящий через соответствующий конденсатор, с заменой «рабочей» пары диод/конденсатор в следующий полупериод.

На самом деле все далеко не так. Диоды заперты практически все время, открываясь лишь на короткое время, а напряжение на каждом из конденсаторов практически синусоидально с частотой питающей сети; отсутствие переполюсовки обеспечивается наличием на конденсаторе постоянной составляющей, равной половине амплитуды переменного напряжения.

Ниже графики напряжений на электролитических конденсаторах и токов через диоды для случая сетевого напряжения 220 В, приложенного к выводам результирующего неполярного конденсатора (ВАХ снята для конденсатора рабочим напряжением всего 50 В, графики не предполагают использования этих конденсаторов!).

Из графиков следует, что на каждом из конденсаторов постоянное напряжение равно 156 В, т.е. половине амплитудного напряжения питающей сети 311 В, а мгновенное напряжение синусоидально изменяется от 0 до амплитуды сетевого напряжения. Отсюда следует требование к рабочему напряжению электролитических конденсаторов — он должно равняться амплитуде питающего напряжения.

Суммирование напряжения на конденсаторах дает, по определению, напряжение питающей сети с нулевой постоянной составляющей и амплитудными значениями 311 В.

Из описания работы схемы выявляются также требования к полупроводниковым диодам — они должны выдерживать обратное напряжение, равное амплитуде напряжения питающей сети (1,41 от эффективного напряжения).

Общеизвестно, что емкость результирующего неполярного конденсатора равна половине емкости каждого из электролитических конденсаторов. Обычно это объясняется тем, что конденсаторы соединены последовательно, из чего и следует описанный вывод. Это объяснение также не годится, во всяком случае, оно неубедительно, поскольку относится к совершенно иной схеме соединения.

«Работает» другое объяснение. Через оба конденсатора, в силу их последовательного соединения, и запертости диодов большую часть времени, протекает одинаковый ток, этот же ток протекает во внешней цепи. Но переменное напряжение во внешней цепи вдвое выше переменной составляющей напряжения на каждом из конденсаторов, что означает, что реактивное сопротивление составного конденсатора вдвое выше реактивного сопротивления каждого из конденсаторов. Большему реактивному сопротивлению отвечает меньшая емкость, зависимость обратно-пропорциональная; тем самым, емкость составного конденсатора вдвое меньше емкости каждого из конденсаторов.

Каждый из постоянно запертых диодов открывается лишь на короткое время, один раз в течение периода, и на соответствующем конденсаторе фиксируется амплитудное напряжение сети, после чего, при запертом состоянии обоих диодов, по мере изменения мгновенного напряжения в сети, изменяются (на одинаковую величину, но в противоположных направлениях) напряжения на последовательно включенных конденсаторах.

Поскольку эти напряжения действуют встречно, напряжения на конденсаторах изменяются вдвое медленнее, чем напряжение в сети.

Режим работы диодов импульсный, и иногда, для облегчения их работы, в схему включают ограничительный резистор R1 (схема в). Схема в по режиму работы диодов и конденсаторов является промежуточной между схемами а и б.

Если приведенная информация оказалась для вас полезной, и вы согласны с выводами (нет, не следует ставить лайки) — дайте ссылку на статью на форумах электриков, где вы наверняка обмениваетесь информацией и ищете советы. То, что до конца статью дочитали лишь электрики, у меня сомнений нет.

Если остались вопросы либо обнаружены ошибки — делитесь в комментариях к статье. Ответ будет дан обязательно в силу нашего понимания вопроса.

К данной статье написано дополнение с измерением характеристик результирующего конденсатора в схеме с диодами и без диодов.

Другая статья по теме электрики — о соотношении цена/емкость пальчиковых элементов питания АА. Из 4 типов выбран лучший.

Как соединить электролитические конденсаторы для увеличения напряжения. Последовательное и параллельное соединение конденсаторов

Конденсаторы, как и резисторы, можно соединять последовательно и параллельно. Рассмотрим соединение конденсаторов: для чего применяются каждая из схем, и их итоговые характеристики.

Эта схема – самая распространенная. В ней обкладки конденсаторов соединяются между собой, образуя эквивалентную емкость, равную сумме соединяемых емкостей.

При параллельном соединении электролитических конденсаторов необходимо, чтобы между собой соединялись выводы одной полярности.

Особенность такого соединения – одинаковое напряжение на всех соединяемых конденсаторах
. Номинальное напряжение группы параллельно соединенных конденсаторов равно рабочему напряжению конденсатора группы, у которого оно минимально.

Токи через конденсаторы группы протекают разные: через конденсатор с большей емкостью потечет больший ток.

На практике параллельное соединение применяется для получения емкости нужной величины, когда она выходит за границы диапазона, выпускаемого промышленностью, или не укладываются в стандартный ряд емкостей. В системах регулирования коэффициента мощности (cos ϕ) изменение емкости происходит за счет автоматического подключения или отключения конденсаторов в параллель.

При последовательном соединении обкладки конденсатором соединяются друг к другу, образуя цепочку. Крайние обкладки подключаются к источнику, а ток по всем конденсаторам группы потечет одинаковый.

Эквивалентная емкость последовательно соединенных конденсаторов ограничена самой маленькой емкостью в группе. Объясняется это тем, что как только она полностью зарядится, ток прекратится. Подсчитать общую емкость двух последовательно соединенных конденсаторов можно по формуле

Но применение последовательного соединения для получения нестандартных номиналов емкостей не так распространено, как параллельного.

При последовательном соединении напряжение источника питания распределяется между конденсаторами группы. Это позволяет получить батарею конденсаторов, рассчитанную на большее напряжение
, чем номинальное напряжение входящих в нее компонентов. Так из дешевых и небольших по размерам конденсаторов изготавливаются блоки, выдерживающие высокие напряжения.

Еще одна область применения последовательного соединения конденсаторов связана с перераспределением напряжений между ними. Если емкости одинаковы, напряжение делится пополам, если нет – на конденсаторе большей емкости напряжение получается большим. Устройство, работающее на этом принципе, называют емкостным делителем напряжения
.

Смешанное соединение конденсаторов

Такие схемы существуют, но в устройствах специального назначения, требующие высокой точности получения величины емкости, а также для их точной настройки.

В электротехнике существуют различные варианты подключения электрических элементов. В частности, существует последовательное, параллельное или смешанное соединение конденсаторов, в зависимости от потребностей схемы. Рассмотрим их.

Параллельное соединение

Параллельное соединение характеризуется тем, что все пластины электрических конденсаторов присоединяются к точкам включения и образовывают собой батареи. В таком случае, во время заряда конденсаторов каждый из них будет иметь различное число электрических зарядов при одинаковом количестве подводимой энергии

Схема параллельного крепления

Емкость при параллельной установке рассчитывается исходя из емкостей всех конденсаторов в схеме. При этом, количество электрической энергии, поступающей на все отдельные двухполюсные элементы цепи, можно будет рассчитать, суммировав сумму энергии, помещающейся в каждый конденсатор. Вся схема, подключенная таким образом, рассчитывается как один двухполюсник.

C общ = C 1 + C 2 + C 3

Схема – напряжение на накопителях

В отличие от соединения звездой, на обкладки всех конденсаторов попадает одинаковое напряжение. Например, на схеме выше мы видим, что:

V AB = V C1 = V C2 = V C3 = 20 Вольт

Последовательное соединение

Здесь к точкам включения присоединяются контакты только первого и последнего конденсатора.

Схема – схема последовательного соединения

Главной особенностью работы схемы является то, что электрическая энергия будет проходить только по одному направлению, значит, что в каждом из конденсаторов ток будет одинаковым. В такой цепи для каждого накопителя, независимо от его емкости, будет обеспечиваться равное накопление проходящей энергии. Нужно понимать, что каждый из них последовательно соприкасается со следующим и предыдущим, а значит, емкость при последовательном типе может воспроизводиться энергией соседнего накопителя.

Формула, которая отражает зависимость тока от соединения конденсаторов, имеет такой вид:

i = i c 1 = i c 2 = i c 3 = i c 4 , то есть токи проходящие через каждый конденсатор равны между собой.

Следовательно, одинаковой будет не только сила тока, но и электрический заряд. По формуле это определяется как:

Q общ = Q 1 = Q 2 = Q 3

А так определяется общая суммарная емкость конденсаторов при последовательном соединении:

1/C общ = 1/C 1 + 1/C 2 + 1/C 3

Видео: как соединять конденсаторы параллельным и последовательным методом

Смешанное подключение

Но, стоит учитывать, что для соединения различных конденсаторов необходимо учитывать напряжение сети. Для каждого полупроводника этот показатель будет отличаться в зависимости от емкости элемента. Отсюда следует, что отдельные группы полупроводниковых двухполюсников малой емкости будут при зарядке становиться больше, и наоборот, электроемкость большого размера будет нуждаться в меньшем заряде.

Схема: смешанное соединение конденсаторов

Существует также смешанное соединение двух и более конденсаторов. Здесь электрическая энергия распределяется одновременно при помощи параллельного и последовательного подключения электролитических элементов в цепь. Эта схема имеет несколько участков с различным подключением конденсирующих двухполюсников. Иными словами, на одном цепь параллельно включена, на другом – последовательно. Такая электрическая схема имеет ряд достоинств сравнительно с традиционными:

1. Можно использовать для любых целей: подключения электродвигателя, станочного оборудования, радиотехнических приборов;
2. Простой расчет. Для монтажа вся схема разбивается на отдельные участки цепи, которые рассчитываются по отдельности;
3. Свойства компонентов не изменяются независимо от изменений электромагнитного поля, силы тока. Это очень важно при работе с разноименными двухполюсниками. Ёмкость постоянна при постоянном напряжении, но, при этом, потенциал пропорционален заряду;
4. Если требуется собрать несколько неполярных полупроводниковых двухполюсников из полярных, то нужно взять несколько однополюсных двухполюсника и соединить их встречно-параллельным способом (в треугольник). Минус к минусу, а плюс к плюсу. Таким образом, за счет увеличения емкости изменяется принцип работы двухполюсного полупроводника.

Содержание:

В электронных и радиотехнических схемах широкое распространение получило параллельное и последовательное соединение конденсаторов. В первом случае соединение осуществляется без каких-либо общих узлов, а во втором варианте все элементы объединяются в два узла и не связаны с другими узлами, если это заранее не предусмотрено схемой.

Последовательное соединение

При последовательном соединении два и более конденсаторов соединяются в общую цепь таким образом, что каждый предыдущий конденсатор соединяется с последующим лишь в одной общей точке. Ток (i), осуществляющий зарядку последовательной цепи конденсаторов будет иметь одинаковое значение для каждого элемента, поскольку он проходит только по единственно возможному пути. Это положение подтверждается формулой: i = i c1 = i c2 = i c3 = i c4 .

В связи с одинаковым значением тока, протекающего через конденсаторы с последовательным соединением, величина заряда, накопленного каждым из них, будет одинаковой, независимо от емкости. Такое становится возможным, поскольку заряд, приходящий с обкладки предыдущего конденсатора, накапливается на обкладке последующего элемента цепи. Поэтому величина заряда у последовательно соединенных конденсаторов будет выглядеть следующим образом: Q общ = Q 1 = Q 2 = Q 3 .

Если рассмотреть три конденсатора С 1 , С 2 и С 3 , соединенные в последовательную цепь, то выясняется, что средний конденсатор С 2 при постоянном токе оказывается электрически изолированным от общей цепи. В конечном итоге величина эффективной площади обкладок будет уменьшена до площади обкладок конденсатора с самыми минимальными размерами. Полное заполнение обкладок электрическим зарядом, делает невозможным дальнейшее прохождение по нему тока. В результате, движение тока прекращается во всей цепи, соответственно прекращается и зарядка всех остальных конденсаторов.

Общее расстояние между обкладками при последовательном соединении представляет собой сумму расстояний между обкладками каждого элемента. В результате соединения в последовательную цепь, формируется единый большой конденсатор, площадь обкладок которого соответствует обкладкам элемента с минимальной емкостью. Расстояние между обкладками оказывается равным сумме всех расстояний, имеющихся в цепи.

Падение напряжения на каждый конденсатор будет разным, в зависимости от емкости. Данное положение определяется формулой: С = Q/V, в которой емкость обратно пропорциональна напряжению. Таким образом, с уменьшением емкости конденсатора на него падает более высокое напряжение. Суммарная емкость всех конденсаторов вычисляется по формуле: 1/C общ = 1/C 1 + 1/C 2 + 1/C 3 .

Главная особенность такой схемы заключается в прохождении электрической энергии только в одном направлении. Поэтому в каждом конденсаторе значение тока будет одинаковым. Каждый накопитель в последовательной цепи накапливает равное количество энергии, независимо от емкости. То есть емкость может воспроизводиться за счет энергии, присутствующей в соседнем накопителе.

Онлайн калькулятор, для расчета емкости конденсаторов соединенных последовательно в электрической цепи.

Смешанное соединение

Параллельное соединение конденсаторов

Параллельным считается такое соединение, при котором конденсаторы соединяются между собой двумя контактами. Таким образом в одной точке может соединяться сразу несколько элементов.

Данный вид соединения позволяет сформировать единый конденсатор с большими размерами, площадь обкладок которого будет равна сумме площадей обкладок каждого, отдельно взятого конденсатора. В связи с тем, что находится в прямой пропорциональной зависимости с площадью обкладок, общая емкость составить суммарное количество всех емкостей конденсаторов, соединенных параллельно. То есть, С общ = С 1 + С 2 + С 3 .

Поскольку разность потенциалов возникает лишь в двух точках, то на все конденсаторы, соединенные параллельно, будет падать одинаковое напряжение. Сила тока в каждом из них будет отличаться, в зависимости от емкости и значения напряжения. Таким образом, последовательное и параллельное соединение, применяемое в различных схемах, позволяет выполнять регулировку различных параметров на тех или иных участках. За счет этого получаются необходимые результаты работы всей системы в целом.

Рис.2
U=U 1 =U 2 =U 3

Общий
заряд Q

всех
конденсаторов

Общая
емкость С,
или
емкость батареи, параллельно включенных
конденсаторов равна сумме емкостей
этих конденсаторов.

Параллельное
подключение конденсатора к группе
других включенных конденсаторов
увеличивает общую емкость батареи этих
конденсаторов. Следовательно, параллельное
соединение конденсаторов при­меняется
для увеличения емкости.

4)Если
параллельно включены т
одинаковых
конденсаторов ем­костью С´ каждый,
то общая (эквивалентная) емкость батареи
этих конденсаторов может быть определена
выражением

Последовательное соединение конденсаторов

Рис.3

На
обкладках последовательно соединенных
конденсаторов, подключенных к источнику
постоянного тока с напряжением U
,
появятся
заряды одинаковые по величине с
противоположными знаками.

Напряжение на
конденсаторах распределяется обратно
пропорционально емкостям конденса­торов:

Обратная величина
общей емкости последовательно соединенных
конденсаторов равна сумме обратных
величин емкостей этих кон­денсаторов.

При последовательном
включении двух конденсаторов их об­щая
емкость определяется следующим
выражением:

Если
в цепь включены последовательно п
одинаковых
конден­саторов емкостью С
каждый,
то общая емкость этих конденса­торов:

Из
(14) видно, что, чем больше конденсаторов
п
соединено
последовательно, тем меньше будет их
общая емкость С,
т.
е. по­следовательное включение
конденсаторов приводит к уменьше­нию
общей емкости батареи конденсаторов.

На
практике может оказаться, что допустимое
ра­бочее напряжение U
p

конденсатора
меньше напряжения, на кото­рое
необходимо подключить конденсатор.
Если этот конденсатор подключить на
такое напряжение, то он выйдет из строя,
так как будет пробит диэлектрик. Если
же последовательно включить не­сколько
конденсаторов, то напряжение распределится
между ними и на каждом конденсаторе
напряжение окажется мень­ше его
допустимого рабочего U
p
.
Следовательно,
последовательное
соединение конденсаторов применяют
для того, чтобы напряжение на каждом
конденсаторе не превышало его рабочего
напряжения
U
p
.

Смешанное соединение конденсаторов

Смешанное соединение
(последовательно-параллельное)
кон­денсаторов применяют тогда, когда
необходимо увеличить ем­кость и
рабочее напряжение батареи конденсаторов.

Рассмотрим смешанное
соединение конденсаторов на ниже­приведенных
примерах.

Энергия
конденсаторов

где Q

—
заряд конденсатора или конденсаторов,
к которым при­ложено напряжение U
;
С
—
электрическая емкость конденсатора
или батареи соединенных конденсаторов,
к которой приложено напряжение U
.

Таким образом,
конденсаторы служат для накопления и
сохра­нения электрического поля и
его энергии.

15.
Дайте
определение

понятиям

трех лучевая звезда и треугольник
сопротивлений. Запишите формулы для
преобразования трех лучевой звезды
сопротивлений в треугольник
сопротивлений
и наоборот. Преобразуйте схему к двум
узлам (Рисунок 5)

Рисунок 5- Схема
электрическая

6.СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ

Для облегчения расчета составляется
схема замещения электрической цепи, т.
е. схема, отображающая свойства цепи
при определенных условиях.

На схеме замещения изображают все
элементы, влиянием которых на результат
расчета нельзя пренебречь, и указывают
также электрические соединения между
ними, которые имеются в цепи.

1.Схемы замещения элементов электрических
цепей

На расчетных схемах источник энергии
можно представить ЭДС без внутреннего
сопротивления, если это сопротивление
мало по сравнению с сопротивлением
приемника (рис. 3.13,6).

Приr= 0
внутреннее падение напряженияUо
= 0, поэтому

напряжение на зажимах источника
при любом токе равно

ЭДС: U
=
E
=
const.

В некоторых случаях источник электрической
энергии на расчетной схеме заменяют
другой (эквивалентной) схемой (рис. 3.14,
а),
где вместо ЭДСЕ
источник
характеризуется его током короткого
замыканияI K ,
а вместо внутреннего со­противления
в расчет вводится внутренняя проводимостьg
=1/
r
.

Возможность такой замены можно доказать,
разделив равенство (3.1) на r:

U
/
r

=
E
/
r
—
I
,

где U
/
r

=
Io
-некоторый ток,
равный отношению напряжения на зажимах
источника к внутреннему сопротивлению;E
/
r

=
I
K

— ток короткого замыкания источника;

Вводя новые обозначения, получим
равенство I
K

=
Io
+
I
,
которому удовлетворяет эквивалентная
схема рис. 3.14,а.

В этом случае при любой величине
напряжения на зажимах; источника его
ток остается равным току короткого
замыкания (рис. 3.14,6):

Источник с неизменным током, не зависящим
от внешнего сопротивления, называют
источником тока.

Один и тот же источник электрической
энергии может быть заменен в расчетной
схеме источником ЭДС или источником
тока.

Вопрос о том, как соединить конденсаторы может возникнуть у любого человека, интересующегося электроникой и пайкой . Чаще всего, необходимость в этом возникает в случаях отсутствия под рукой устройства подходящего номинала при сборке или ремонте какого-либо прибора.

К примеру, человеку нужно отремонтировать устройство, заменив в нем электролитический конденсатор ёмкостью 1000 микрофарад или больше, на руках подходящие по номиналу детали отсутствуют, но есть несколько изделий с меньшими параметрами. В этом случае есть три варианта выхода из сложившейся ситуации:

1. Поставить вместо конденсатора на 1000 микрофарад устройство с меньшим номиналом.
2. Поехать в ближайший магазин или радио-рынок для покупки подходящего варианта.
3. Соединить несколько элементов вместе для получения необходимой ёмкости.

От установки радиоэлемента меньшего номинала лучше отказаться, так как подобные эксперименты не всегда заканчиваются успешно. Можно съездить на рынок или в магазин, но это требует немало времени. Потому в сложившейся ситуации чаще соединяют несколько конденсаторов и получают необходимую емкость.

Параллельное соединение конденсаторов

Параллельная схема подключения конденсаторов предполагает соединение в две группы всех обкладок приборов. В одну группу соединяются первые выводы, а в другую группу – вторые выводы. На рисунке ниже представлен пример.

Конденсаторы, соединенные параллельно между собой, подключаются к одному источнику напряжения, поэтому на них существует две точки напряжения или разности потенциалов . Следует учитывать, что на всех выводах подключенных параллельно конденсаторов напряжение будет иметь одинаковую величину.

Параллельная схема образует из элементов единую ёмкость, величина которой равняется сумме ёмкостей всех подключенных в группу конденсаторов. При этом через конденсаторы в процессе работы устройства будет протекать ток разной величины. Параметры проходящего через изделия тока зависят от индивидуальной ёмкости устройства. Чем выше ёмкость, тем больший по величине ток пройдет через него. Формула, характеризующее параллельное соединение, имеет следующий вид:

Параллельная схема чаще всего используется в быту, она позволяет собрать необходимую ёмкость из любого числа отдельных, различных по номиналу элементов.

Последовательное соединение конденсаторов

Схема последовательного подключения представляет собой цепочку, в которой первая обкладка конденсатора соединяется со второй обкладкой предыдущего устройства, а вторая обкладка – с первой обкладкой следующего прибора. Первый вывод первого конденсатора и второй вывод последней детали в цепи соединяются с источником электрического тока, благодаря чему между ними осуществляется перераспределение электрических зарядов. Все промежуточные обкладки имеют одинаковые по величине заряды, чередующиеся по знаку.

На рисунке ниже представлен пример последовательного подключения.

Через соединенные в группу конденсаторы протекает ток одинаковой величины. Общая мощность ограничивается площадью обкладок устройства с наименьшим номиналом, так как после зарядки наименьшего по ёмкости устройства, вся цепь перестанет пропускать ток.

Несмотря на явные недостатки, данный способ обеспечивает увеличение изоляции между отдельными обкладками до суммы расстояний между выводами на всех последовательно соединенных конденсаторах. То есть, при последовательном соединении двух элементов с рабочим напряжением 200 В, изоляция между их выводами сможет выдерживать напряжение до 1000 В. Ёмкость по формуле:

Данный способ позволяет получить эквивалент меньшего по ёмкости конденсатора в группе, способной работать при высоких напряжениях. Всего этого можно достичь путем покупки одного единственного элемента подходящего номинала, потому на практике последовательные соединения практически не встречаются.

Эта формула актуальна для расчета общей ёмкости цепи последовательно соединенных двух конденсаторов. Для определения общей ёмкости цепи с большим числом приборов необходимо воспользоваться формулой:

Смешанная схема

Пример смешанной схемы подключения представлен ниже.

Чтобы определить общую ёмкость нескольких устройств, всю схему необходимо разделить на имеющиеся группы последовательного и параллельного соединения и рассчитать параметры ёмкости для каждой из них.

На практике данный способ встречаются на различных платах, с которыми приходиться работать радиолюбителям.

Параллельное включение конденсаторов. Соединение конденсаторов Как правильно соединять конденсаторы

В электрических цепях применяются различные способы соединения конденсаторов
. Соединение конденсаторов
может производиться: последовательно
, параллельно
и последовательно-параллельно
(последнее иногда называют смешанное соединение конденсаторов). Существующие виды соединения конденсаторов показаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Способы соединения конденсаторов.

Параллельное соединение конденсаторов.

Если группа конденсаторов включена в цепь таким обра­зом, что к точкам включения непосредственно присоединены пластины всех конденсаторов, то такое соединение называется параллельным соединением конденсаторов
(рисунок 2.).

Рисунок 2. Параллельное соединение конденсаторов.

При заряде группы конденсаторов, соединенных параллель­но, между пластинами всех конденсаторов будет одна и та же разность потенциалов, так как все они заряжаются от одного и того же источника тока. Общее же количе­ство электричества на всех конденсаторах будет равно сумме количеств электричества, помещающихся на каждом из кон­денсаторов, так как заряд каждого их конденсаторов проис­ходит независимо от заряда других конденсаторов данной группы. Исходя из этого, всю систему параллельно соединен­ных конденсаторов можно рассматривать как один эквива­лентный (равноценный) конденсатор. Тогда общая емкость конденсаторов при параллельном соединении равна сумме емкостей всех соединенных конденсаторов.

Обозначим суммарную емкость соединенных в батарею конденсаторов бук­вой Собщ, емкость первого конденсатора С1 емкость второго С2 и емкость третьего С3. Тогда для параллельного соединения конденсаторов будет справедлива следующая формула:

Последний знак + и многоточие указывают на то, что этой формулой можно пользоваться при четырех, пяти и во­обще при любом числе конденсаторов.

Последовательное соединение конденсаторов.

Если же соединение конденсаторов в батарею производится в виде цепочки и к точкам включения в цепь непосредственно присоединены пластины только первого и последнего конденсаторов, то такое соединение конденсаторов
называется последо­вательным
(рисунок 3).

Рисунок 2. Последовательное соединение конденсаторов.

При последовательном соединении все конденса­торы заряжаются одинаковым количеством электричества, так как непосредственно от источника тока заряжаются только крайние пластины (1 и 6), а остальные пластины (2, 3, 4 и 5) заря­жаются через влияние. При этом заряд пла­стины 2 будет равен по величине и противо­положен по знаку за­ряду пластины 1, заряд пластины 3 будет равен по величине и противоположен по знаку заряду пла­стины 2 и т. д.

Напряжения на различных конденсаторах будут, вообще говоря, различными, так как для заряда одним и тем же количеством электричества конденсаторов различной емкости всегда требуются различные напряжения. Чем меньше емкость конденсатора, тем большее напряжение необходимо для того, чтобы зарядить этот конденсатор требуемым количеством электричества, и наоборот.

Таким образом, при заряде группы конденсаторов, соединенных последовательно, на конденсаторах малой емкости напряжения будут больше, а на конденсаторах большой емкости — меньше.

Аналогично предыдущему случаю можно рассматривать всю группу конденсаторов, соединенных последовательно, как один эквивалентный конденсатор, между пластинами которого существует напряжение, равное сумме напряжений на всех конденсаторах группы, а заряд которого равен заряду любого из конденсаторов группы.

Возьмем самый маленький конденсатор в группе. На нем должно быть самое большое напряжение. Но напряжение на этом конденсаторе составляет только часть общего напряже­ния, существующего на всей группе конденсаторов. Напря­жение на всей группе больше напряжения на конденсаторе, имеющем самую малую емкость. А отсюда непосредственно следует, что общая емкость группы конденсаторов, соединен­ных последовательно, меньше емкости самого малого конден­сатора в группе.

Для вычисления общей емкости при последовательном со­единении конденсаторов удобнее всего пользоваться следую­щей формулой:

Для частного случая двух последовательно соединенных конденсаторов формула для вычисления их общей емкости будет иметь вид:

Последовательно-параллельное (смешанное) соединение конденсаторов

Последовательно-параллельным соединением конденсаторов
называется цепь имеющая в своем составе участки, как с параллельным, так и с последовательным соединением конденсаторов.

На рисунке 4 приведен пример участка цепи со смешанным соединением конденсаторов.

Рисунок 4. Последовательно-параллельное соединение конденсаторов.

При расчете общей емкости такого участка цепи с последовательно-параллельным соединением конденсаторов этот участок разбивают на простейшие участки, состоящие только из групп с последовательным или параллельным соединением конденсаторов. Дальше алгоритм расчета имеет вид:

1. Определяют эквивалентную емкость участков с последовательным соединением конденсаторов.

2. Если эти участки содержат последовательно соединенные конденсаторы, то сначала вычисляют их емкость.

3. После расчета эквивалентных емкостей конденсаторов перерисовывают схему. Обычно получается цепь из последовательно соединенных эквивалентных конденсаторов.

4. Рассчитывают емкость полученной схемы.

Один из примеров расчета емкости при смешанном соединении конденсаторов приведен на рисунке 5.

Рисунок 5. Пример расчета последовательно-параллельного соединения конденсаторов.

У начинающих электронщиков при сборке любого самодельного устройства могут возникнуть проблемы с соединением конденсатора. Ведь даже у заядлого любителя электроники может не оказаться под рукой конденсатора с нужным номиналом, особенно когда нужно срочно отремонтировать бытовой прибор. Из сложившейся проблемы легко выйти, соединив последовательно или параллельно несколько конденсаторов.

Приготовьте:

• конденсаторы;
• вольтметр;
• провода;
• кусачки.

Если последовательно соединяются два конденсатора с равными емкостями, то в результате получится общая емкость с меньшим значением в 2 раза, а напряжение — увеличится. В реальных случаях схемы с последовательным соединением встречается редко, в основном в высоковольтных источниках питания.
Для низковольтных источников питания применяется параллельное соединение, так как при этом сглаживается пульсация. Общая емкость соединенных параллельно конденсаторов будет складываться, а напряжение — равно значению напряжения того конденсатора, который имеет меньший параметр. Например, имеется три конденсатора по 30 микрофарад с напряженностью 100 В и соединяются параллельно. Значение всего набора будет вычисляться: 90 мкф * 100.

Существует комбинированный способ соединения — последовательно-параллельное, который встречается крайне редко. Для расчета общей емкости цепь разделяют на несколько участков и вычисляют каждую отдельно.

Для соединения электролитических конденсаторов нужно учитывать полярность. При параллельном способе минусовый вывод одного конденсатора должен соединяться с минусовым выводом другого. При последовательном — минус с плюсовым выводом.

При присоединении конденсаторов следует учитывать значение номинального напряжения. Если один из конденсаторов будет с меньшим номинальным напряжением, то, скорее всего, в ближайшее время устройство выйдет из строя.

Соединяйте конденсаторы только тогда, когда они полностью отсоединены от других элементов схемы. Подключение проводят изолированными проводами. После любого соединения и отсоединения проверьте работу с помощью вольтметра.

Для составного конденсатора старайтесь брать однотипные конденсаторы, а если возможно — то с одной партии. Конденсаторы бывают керамические, пленочные, металлобумажные, слюдяные.

У многих начинающих любителей электроники в процессе сборки самодельного устройства возникает вопрос: “Как правильно соединять конденсаторы?”

Казалось бы, зачем это надо, ведь если на принципиальной схеме указано, что в данном месте схемы должен быть установлен конденсатор на 47 микрофарад, значит, берём и ставим необходимый конденсатор. Но, согласитесь, что в мастерской даже заядлого электронщика может не оказаться конденсатора с необходимым номиналом!

Похожая ситуация может возникнуть и при ремонте какого-либо прибора. Например, необходим электролитический конденсатор ёмкостью 1000 микрофарад, а под рукой лишь 2 – 3 конденсатора на 470 микрофарад. Ставить конденсатор на 470 микрофарад, вместо положенных 1000? Нет, это допустимо не всегда. Так как же быть? Ехать на радиорынок за несколько десятков километров за одним конденсатором?

Как выйти из сложившейся ситуации? Можно соединить несколько конденсаторов и в результате получить необходимую нам ёмкость. В электронике существует два способа соединения конденсаторов: параллельное
и последовательное
.

В реальности это выглядит так:

Параллельное соединение

Принципиальная схема параллельного соединения

Последовательное соединение

Принципиальная схема последовательного соединения

Также можно комбинировать параллельное и последовательное соединение конденсаторов. На практике вам вряд ли это пригодиться.

Как рассчитать общую ёмкость соединённых конденсаторов?

Помогут нам в этом несколько простых формул. Не сомневайтесь, если вы будете заниматься электроникой, то эти простые формулы рано или поздно вас выручат.

Общая ёмкость параллельно соединённых конденсаторов:

С 1 – ёмкость первого конденсатора;

С 2 – ёмкость второго конденсатора;

С 3 – ёмкость третьего конденсатора;

С N – ёмкость N
-ого конденсатора;

C общ – суммарная ёмкость составного конденсатора.

Как видим, при параллельном соединении ёмкости конденсаторов нужно всего-навсего сложить!

Внимание!
Все расчёты необходимо производить в одних единицах. Если рассчитываем ёмкости в микрофарадах, то нужно указывать ёмкость C 1
, C 2
в микрофарадах. Результат также получим в микрофарадах. Это правило стоит соблюдать, иначе ошибки не избежать!

Чтобы не допустить ошибку при переводе микрофарад в пикофарады или нанофарады можно воспользоваться специальной таблицей. В ней указаны приставки, используемые для краткой записи и множители, с помощью которых можно пересчитать значения величин.

Ёмкость двух последовательно соединённых конденсаторов можно рассчитать по другой формуле. Она будет чуть сложнее:

Внимание!
Данная формула справедлива только для двух конденсаторов! Для большего количества последовательно включенных конденсаторов потребуется другая формула. Она более запутанная, да и не всегда пригождается .

Или то же самое, но более понятно:

Если вы проведёте несколько расчётов, то увидите, что при последовательном соединении конденсаторов их результирующая ёмкость будет всегда меньше наименьшей ёмкости, включённой в данную цепочку. Что это значить? А это значит, что если соединить последовательно конденсатор ёмкостью 5, 100 и 35 пикофарад, то общая ёмкость составного конденсатора будет меньше 5.

В том случае, если для последовательного соединения применены конденсаторы одинаковой ёмкости, эта громоздкая формула упрощается и принимает вид:

Здесь, вместо буквы M

ставиться количество конденсаторов, а C 1
– ёмкость конденсатора.

Стоит также запомнить простое правило:

При последовательном соединении двух конденсаторов с одинаковой ёмкостью результирующая ёмкость будет в два раза меньше ёмкости каждого из конденсаторов.

Таким образом, если вы последовательно соедините два конденсатора, ёмкость каждого из которых 10 нанофарад, то в результате ёмкость составного конденсатора составит 5 нанофарад.

Проверим конденсатор, замерив ёмкость, и на практике подтвердим правильность показанных здесь формул для расчёта.

Возьмём два плёночных конденсатора. Один на 15 нанофарад (0,015 мкф.), другой на 10 нанофарад (0,01 мкф.) Соединим их последовательно. Теперь возьмём мультиметр Victor VC9805+

с функцией измерения ёмкости конденсаторов и замерим суммарную ёмкость двух конденсаторов. Вот что мы получим (см. фото).

Замер ёмкости последовательно соединённых конденсаторов

Ёмкость составного конденсатора составила 6 нанофарад (0,006 мкф.)

А теперь проделаем то же самое, но для параллельного соединения конденсаторов. Проверим результат с помощью тестера (см. фото).

Измерение ёмкости параллельно соединённых конденсаторов

Как видим, при параллельном соединении ёмкость двух конденсаторов сложилась и составляет 25 нанофарад (0,025 мкф.).

Что ещё необходимо знать, чтобы правильно соединить конденсаторы?

Во-первых, не стоит забывать, что кроме ёмкости у конденсаторов есть ещё один немаловажный параметр, как номинальное напряжение.

При последовательном соединении конденсаторов напряжение между ними распределяется обратно пропорционально ёмкостям этих конденсаторов. Поэтому, есть смысл при последовательном соединении применять конденсаторы с номинальным напряжением равным тому, которое должно быть у конденсатора взамен которого мы ставим составной конденсатор.

Если же используются конденсаторы одинаковой ёмкости, то напряжение между ними разделится поровну.

Для электролитических конденсаторов.

При соединении электролитических конденсаторов строго соблюдайте полярность! При параллельном соединении электролитических конденсаторов всегда соединяйте минусовой вывод одного конденсатора с минусовым выводом другого. Плюсовой вывод с плюсовым.

Параллельное соединение электролитических конденсаторов

Схема параллельного соединения

В последовательном соединении электролитических конденсаторов ситуация обратная. Необходимо соединять плюсовой вывод с минусовым. Получается что-то вроде последовательного соединения батареек.

Последовательное соединение электролитических конденсаторов

Также не забывайте про номинальное напряжение. При параллельном соединении каждый из задействованных конденсаторов должен иметь то номинальное напряжение, как если бы мы ставили в схему один конденсатор. То есть если в схему нужно установить конденсатор с номинальным напряжением на 35 вольт и ёмкостью, например, 200 микрофарад, то взамен его можно параллельно соединить два конденсатора на 100 микрофарад и 35 вольт. Если хоть один из этих конденсаторов будет иметь меньшее номинальное напряжение (например, 25 вольт), то он вскоре выйдет из строя.

Желательно, чтобы для составного конденсатора подбирались конденсаторы одного типа (плёночные, керамические, слюдяные, металлобумажные). Лучше будет, если они взяты из одной партии.

Конечно, возможно и смешанное (комбинированное) соединение конденсаторов, но в практике оно не применяется (я не видел ). Расчёт ёмкости смешанного соединения конденсаторов обычно достаётся тем, кто решает задачи по физике и сдаёт экзамены:)

Калькулятор емкости последовательного соединения конденсаторов • Электротехнические и радиотехнические калькуляторы • Онлайн-конвертеры единиц измерения

Калькулятор позволяет рассчитать емкость нескольких конденсаторов, соединенных последовательно.

Пример. Рассчитать эквивалентную емкость двух соединенных последовательно конденсаторов 10 мкФ и 5 мкФ.

Входные данные

Добавить конденсатор

Выходные данные

Эквивалентная емкость

C микрофарад (мкФ)

Введите значения емкости в поля C₁ и C ₂, добавьте при необходимости новые поля, выберите единицы емкости (одинаковые для всех полей ввода) в фарадах (Ф), миллифарадах (мФ), микрофарадах (мкФ), пикофарадах (пФ), нанофарадах (нФ) и нажмите на кнопку Рассчитать.

1 мФ = 0,001 Ф. 1 мкФ = 0,000001 = 10⁻⁶ Ф. 1 нФ = 0,000000001 = 10⁻⁹ Ф. 1 пФ = 0,000000000001 = 10⁻¹² Ф.

В соответствии со вторым правилом Кирхгофа, падения напряжения V₁, V₂ and V₃ на каждом из конденсаторов в группе из трех соединенных последовательно конденсаторов в общем случае различные и общая разность потенциалов V равна их сумме:

По определению емкости и с учетом того, что заряд Q группы последовательно соединенных конденсаторов является общим для всех конденсаторов, эквивалентная емкость C_eq всех трех конденсаторов, соединенных последовательно, определяется как

или

Для группы из n соединенных последовательно конденсаторов эквивалентная емкость C_eq равна величине, обратной сумме величин, обратных емкостям отдельных конденсаторов:

или

Эта формула для C_eq и используется для расчетов в этом калькуляторе. Например, общая емкость соединенных последовательно трех конденсаторов емкостью 10, 15 and 20 мкФ будет равна 4,62 мкФ:

Если конденсаторов только два, то их общая емкость определяется по формуле

или

Если имеется n соединенных последовательно конденсаторов с емкостью C, их эквивалентная емкость равна

Отметим, что для расчета общей емкости нескольких соединенных последовательно конденсаторов используется та же формула, что и для расчета общего сопротивления параллельно соединенных резисторов.

Отметим также, что общая емкость группы из любого количества последовательно соединенных конденсаторов всегда будет меньше, чем емкость самого маленького конденсатора, а добавление конденсаторов в группу всегда приводит к уменьшению емкости.

Конденсаторы на печатной плате

Отдельного упоминания заслуживает падение напряжения на каждом конденсаторе в группе последовательно соединенных конденсаторов. Если все конденсаторы в группе имеют одинаковую номинальную емкость, падение напряжения на них скорее всего будет разным, так как конденсаторы в реальности будут иметь разную емкость и разный ток утечки. На конденсаторе с наименьшей емкостью будет наибольшее падение напряжения и, таким образом, он будет самым слабым звеном этой цепи.

Выравнивающие резисторы уменьшают разброс напряжений на отдельных конденсаторах

Для получения более равномерного распределения напряжений параллельно конденсаторам включают выравнивающие резисторы. Эти резисторы работают как делители напряжения, уменьшающие разброс напряжений на отдельных конденсаторах. Но даже с этими резисторами все равно для последовательного включения следует выбирать конденсаторы с большим запасом по рабочему напряжению.

Если несколько конденсаторов соединены параллельно, разность потенциалов V на группе конденсаторов равна разности потенциалов соединительных проводов группы. Общий заряд Q разделяется между конденсаторами и если их емкости различны, то заряды на отдельных конденсаторах Q₁, Q₂ and Q₃ тоже будут различными. Общий заряд определяется как

Конденсаторы, соединенные параллельно

По определению емкости, эквивалентная емкость группы конденсаторов равна

отсюда

или

Для группы n включенных параллельно конденсаторов

То есть, если несколько конденсаторов включены параллельно, их эквивалентная емкость определяется путем сложения емкостей всех конденсаторов в группе.

Возможно, вы заметили, что конденсаторы ведут себя противоположно резисторам: если резисторы соединены последовательно, их общее сопротивление всегда будет выше сопротивлений отдельных резисторов, а в случае конденсаторов всё происходит с точностью до наоборот.

Конденсаторы на печатной плате

Конденсаторы

: все, что вам нужно знать | ОРЕЛ

Нет, мы здесь не говорим о Grand Theft Auto! Открывать крышку в мире электроники — это плохо, если вам не нравится видеть, как ваш электролитический конденсатор горит в огне. Конденсаторы играют важную роль в семействе пассивных электронных компонентов, и их можно использовать повсюду.

Помните вспышку в вашей цифровой камере? Конденсаторы делают это возможным. Или возможность переключать канал на телевизоре? Опять конденсаторы.Эти ребята — маленькие батарейки, которые «могут», и вам нужно знать все, что о них известно, прежде чем вы начнете работать над своим первым проектом в области электроники.

Это как бутерброд с мороженым

Для простоты — конденсатор хранит электрический заряд , очень похоже на батарею. Также называемые caps , вы найдете этих парней в приложениях, где требуется накопление энергии, подавление напряжения и даже фильтрация сигналов. А как они выглядят? Ну бутерброд с мороженым!

Что бы вы сделали с баром «Клондайк»? Сравните это, конечно, с конденсатором! (Источник изображения)

Подумайте о том восхитительном бутерброде с мороженым, который вам понравился в тот знойный летний день.У вас есть восхитительная корочка с двух сторон и кремовый кусок ванильного мороженого посередине. Эта композиция из двух внешних слоев и одного внутреннего слоя — это то, как выглядит конденсатор. Вот из чего они сделаны:

• Начиная снаружи. Сверху и снизу конденсатора вы найдете набор металлических пластин, также называемых проводниками. Электрический заряд находит эти металлические пластины очень привлекательными.
• Сидит посередине. Посреди этих двух металлических пластин вы найдете изолятор или материал, к которому не притягивается электричество. Этот изолятор обычно называют диэлектриком и может быть изготовлен из бумаги, стекла, резины, пластика и т. Д.
• Соединяем вместе. Две металлические пластины наверху и внизу крышки соединены двумя электрическими клеммами, которые соединяют ее с остальной частью цепи. Один конец конденсатора подключается к источнику питания, а другой течет к земле.

Внутренняя структура конденсатора, у нас есть две металлические пластины, внутренний диэлектрик и соединительные клеммы.

Конденсаторы всех форм и размеров

Конденсаторы

бывают разных форм и размеров, каждый из которых определяет, насколько хорошо они могут удерживать заряд. Три наиболее распространенных типа конденсаторов, с которыми вы столкнетесь, включают керамический конденсатор, электролитический конденсатор и суперконденсатор:

Конденсаторы керамические

Это конденсаторы, с которыми вы, вероятно, будете работать в своем первом электронном проекте с использованием макета.В отличие от своих электролитических аналогов, керамические конденсаторы удерживают меньший заряд, но и меньше пропускают ток. Они также оказываются самыми дешевыми конденсаторами из всей группы, так что запасайтесь! Вы можете быстро определить керамический конденсатор со сквозным отверстием, посмотрев на маленькие желтые или красные лампочки с двумя торчащими из них выводами.

Три типа керамических конденсаторов, вы будете использовать их на макетных платах. (Источник изображения)

Конденсаторы электролитические

Эти парни выглядят как маленькие консервные банки, которые вы найдете на печатной плате, и в их крошечном следе могут удерживаться огромные электрические разряды.Это также единственный тип конденсатора, который поляризован, а это означает, что они будут работать только при подключении с определенной ориентацией. На этих электролитических конденсаторах есть положительный вывод, называемый анодом, и отрицательный вывод, называемый катодом. Анод всегда нужно подключать к более высокому напряжению. Если вы подключите его наоборот, когда на катоде будет более высокое напряжение, приготовьтесь к взрыву крышки!

Электролитический конденсатор, обратите внимание на положительный вывод и более длинный (анод) и более короткий отрицательный вывод (катод).(Источник изображения)

Несмотря на то, что электролитические колпачки способны удерживать большое количество электрического заряда, они также хорошо известны тем, что пропускают ток быстрее, чем керамические колпачки. Из-за этого они не лучший выбор, когда вам нужно хранить энергию.

Суперконденсаторы

Supercaps — супергерои семейства конденсаторных, они могут хранить большое количество энергии! К сожалению, суперкапс не очень хорошо справляется с избыточным напряжением, и вы окажетесь без колпачка, если превысите максимальное напряжение, указанное в таблице данных.ПОП!

В отличие от электролитических конденсаторов, вы обнаружите, что суперконденсаторы используются для хранения и разряда энергии, как и батареи. Но в отличие от аккумулятора, суперкапсы высвобождают свой заряд сразу, и вы никогда не получите такой же срок службы, как от обычного аккумулятора.

Посмотрите на этот мощный supercap ! Он имеет огромную емкость 3000F. (Источник изображения)

Обозначения конденсаторов

Идентифицировать конденсатор на вашей первой схеме очень просто, так как они бывают только двух типов: стандартные и поляризованные.Обратите внимание на символ стандартного конденсатора ниже. Вы заметите, что это всего лишь две простые линии с пробелом между ними. Это две металлические пластины, которые вы найдете сверху и снизу физического конденсатора.

Поляризованный конденсатор выглядит немного иначе и имеет дугообразную линию в нижней части, а также положительный вывод наверху. Этот положительный вывод очень важен и указывает, как этот поляризованный конденсатор должен быть подключен. Положительная сторона всегда подключается к источнику питания, а сторона дуги подключается к земле.

Два наиболее распространенных типа конденсаторов, которые вы увидите на схеме для США, стандартные и поляризованные.

Кто изобрел эти вещи?

Хотя многие считают английского химика Майкла Фарадея пионером современного конденсатора, он не был первым, кто его изобрел. То, что сделал Фарадей, было важно — он продемонстрировал первые практические примеры конденсатора и то, как использовать его для хранения электрического заряда в своих экспериментах. И благодаря Фарадею у нас также есть способ измерить заряд, который может удерживать конденсатор, известный как емкость, который измеряется в Фарадах!

Гениальный английский химик Майкл Фарадей, пионер конденсаторов, которые мы используем сегодня.(Источник изображения)

До Майкла Фарадея некоторые записи указывают на то, что покойный немецкий ученый Эвальд Георг фон Клейст изобрел первый конденсатор в 1745 году. Спустя несколько месяцев голландский профессор по имени Питер ван Мушенбрук придумал похожий дизайн, теперь известный как Лейденская банка. Странное время, правда? Однако все это было просто совпадением, и оба ученых в равной степени получили признание за свои первоначальные изобретения конденсатора.

Самый ранний образец конденсатора, лейденская банка.(Источник изображения)

Знаменитая модель Benjamin Franklin позже стала усовершенствованной конструкцией лейденской банки, созданной Musschenbroek. Франклин также смог обнаружить, что использование плоского куска стекла было отличной альтернативой целой банке. Так родился первый плоский конденсатор, получивший название площади Франклина.

Крышки в действии — как они работают

Давайте подробно рассмотрим, как работают эти мощные конденсаторы, на практическом примере. Вы ведь раньше пользовались цифровым фотоаппаратом? Тогда вы знаете, что есть несколько коротких моментов между нажатием кнопки, чтобы сделать снимок, и моментом срабатывания вспышки.

Что здесь происходит? К вспышке прикреплен конденсатор, который заряжается после того, как вы нажмете кнопку, чтобы сделать снимок. Как только этот конденсатор полностью заряжается аккумулятором камеры, вся эта энергия взрывается наружу в ослепительной вспышке света!

Обратите внимание, конденсатор, который делает возможной вспышку в этой камере. (Источник изображения)

Так как же все это произошло? Заглянем изнутри в загадочный мир конденсатора:

1. Начинается с зарядки. Электрический ток от источника питания сначала проходит через конденсатор и застревает на первой пластине. Почему застревает? Потому что есть изолятор, который не пропускает отрицательно заряженную электронику.
2. Накопление сборов. По мере того, как все больше и больше электронов прилипают к этой первой пластине, она становится отрицательно заряженной и в конечном итоге отталкивает все лишние электроны, с которыми она не может справиться, к другой пластине. Затем эта вторая пластина становится положительно заряженной.
3. Заряд сохраняется. По мере того как две пластины конденсатора продолжают заряжаться, отрицательные и положительные электроны отчаянно пытаются соединиться, но этот надоедливый изолятор в середине не позволяет им, создавая электрическое поле. Вот почему колпачок продолжает удерживать и накапливать заряд, потому что существует бесконечный источник напряжения между отрицательной и положительной сторонами двух пластин, которые не разрешены.
4. Заряд высвобождается. Рано или поздно две пластины в нашем конденсаторе не смогут удерживать заряд, так как они на пределе емкости.Но что происходит сейчас? Если в вашей цепи есть путь для электрического заряда, протекающего в другом месте, то все электроны в вашей крышке будут разрядиться, и , наконец, прекратят свое напряжение, поскольку они будут искать другой путь друг к другу.

Измерение заряда

Как можно измерить, сколько заряда хранится в конденсаторе? Каждый колпачок рассчитан на определенную емкость. Он измеряется в фарадах по английскому химику Майклу Фарадею. Поскольку в одном фараде содержится тонна электрического заряда, вы обычно видите конденсаторы, измеряемые в пикофарадах или микрофарадах.Вот полезная диаграмма, которая показывает, как разбиваются эти измерения:

Теперь, чтобы выяснить, сколько заряда в настоящее время хранит конденсатор, вам понадобится это уравнение:

В этом уравнении общий заряд представлен как (Q) , и соотношение этого заряда можно найти, умножив емкость конденсатора ( C ) на приложенное к нему напряжение ( В ). Следует отметить, что емкость конденсатора напрямую зависит от его напряжения.Таким образом, чем больше вы увеличиваете или уменьшаете источник напряжения в цепи, тем больший или меньший заряд будет у вашего конденсатора.

Емкость в параллельных и последовательных цепях

Когда вы размещаете конденсаторы в цепи параллельно, вы можете определить общую емкость, сложив все отдельные емкости вместе.

Получить общую емкость в параллельной цепи так же просто, как 1 + 1, просто сложите их все вместе! (Источник изображения)

При последовательном размещении конденсаторов общая емкость вашей цепи является обратной величиной всех ваших суммированных емкостей.Вот быстрый пример. Если у вас есть два конденсатора по 10 Ф, соединенные последовательно, то общая емкость будет равна 5 Ф.

Получить общую емкость в последовательной цепи немного сложнее. Емкость уменьшается вдвое. (Источник изображения)

Начало работы

Теперь, когда у нас есть твердое представление о том, что такое конденсаторы, как они работают и как измеряются, давайте рассмотрим три распространенных приложения, в которых используются конденсаторы. Сюда входят такие приложения, как развязывающие конденсаторы, накопители энергии и емкостные сенсорные датчики.

Конденсатор развязки

В наши дни вам будет сложно найти схему, в которой нет интегральной схемы или ИС. В этих типах схем конденсаторы должны выполнять критически важную работу, удаляя весь высокочастотный шум, обнаруживаемый в сигналах источника питания, которые питают ИС.

Почему это необходимая работа для нашего конденсатора? Любые колебания напряжения могут быть фатальными для ИС и даже могут привести к неожиданному отключению питания микросхемы. Помещая конденсаторы между ИС и источником питания, они успокаивают колебания напряжения, а также действуют как второй источник питания, если первичная мощность падает до уровня, достаточного для выключения ИС.

Разделительный конденсатор для контроля колебаний напряжения.

Накопитель энергии

Конденсаторы

имеют много общих характеристик с батареями, включая их способность накапливать энергию. Однако, в отличие от батареи, конденсаторы не выдерживают такой большой мощности. Но хотя они и не успевают по количеству, они стараются разрядиться как можно быстрее! Конденсаторы могут поставлять энергию намного быстрее, чем аккумулятор, что делает их идеальными для питания вспышки в камере, настройки радиостанции или переключения каналов на телевизоре.

Емкостные сенсорные датчики

Одно из последних достижений в области применения конденсаторов связано с бурным ростом технологий сенсорных экранов. Стеклянные экраны, из которых состоят эти сенсорные датчики, имеют очень тонкое прозрачное металлическое покрытие. Когда ваш палец касается экрана, это вызывает падение напряжения, определяющее точное местоположение вашего пальца!

Емкостные сенсорные датчики в действии с защитной накладкой и печатной платой. (Источник изображения)

Практика — выбор конденсатора

Давайте перейдем к сфере практичности и поговорим о том, на что обращать внимание при выборе следующего конденсатора.Необходимо учитывать пять переменных, в том числе:

• Размер — сюда входит как физический размер вашего конденсатора, так и его общая емкость. Не удивляйтесь, если выбранный вами конденсатор будет самой большой частью вашей печатной платы, так как чем больше емкости вам нужно, тем больше они становятся.
• Допуск — Конденсаторы, как и их аналоги с резисторами, имеют переменный допуск. Вы найдете допуск для конденсаторов от ± 1% до ± 20% от заявленного значения.
• Максимальное напряжение — Каждый конденсатор имеет максимальное напряжение, с которым он может работать. В противном случае он взорвется! Вы найдете максимальное напряжение от 1,5 до 100 В.
• Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) — Как и любой другой физический материал, выводы конденсатора имеют очень маленькое сопротивление. Это может стать проблемой, если вам нужно помнить о потерях тепла и энергии.
• Leakage Current — В отличие от наших батарей, в конденсаторах происходит утечка накопленного заряда.И пока он истощается медленно, вам стоит обратить внимание на то, насколько сильно протекает ваш конденсатор, если его основная функция — накопление энергии.

Все заряжены

Итак, все, что вам нужно знать о конденсаторах, чтобы полностью зарядиться для вашего следующего электронного проекта! Конденсаторы — это очаровательная небольшая группа, способная накапливать электрический заряд для множества применений, и они даже могут выступать в качестве вторичного источника питания для этих чувствительных интегральных схем.При работе с конденсаторами внимательно следите за максимально возможным напряжением. В противном случае вы получите несколько взрывающихся крышек, как вы увидите на видео:

Знаете ли вы, что Autodesk EAGLE бесплатно включает тонну библиотек конденсаторов? Начните со своего следующего проекта в области электроники и забудьте о создании собственных деталей! Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня.

Конденсаторы в последовательной и параллельной комбинациях с примерами

Конденсатор является накопителем энергии.Они классифицируются как электролитические и неэлектролитические конденсаторы в зависимости от диэлектриков и полярностей. Он должен быть включен в схему таким образом, чтобы получить необходимое значение емкости. Существуют и другие комбинации конденсаторов, используемых при его включении в схему. Среди которых ряд и параллель являются основными.

Несколько подключенных конденсаторов действуют как «один эквивалентный конденсатор». Общая емкость в цепи зависит от количества отдельных конденсаторов, соединенных последовательно в цепи, и будет меньше, чем у любого из конденсаторов в цепи.Расстояние между пластинами конденсатора также влияет на емкость конденсатора.

В системах распределения электроэнергии, где уровень напряжения падает ниже указанного уровня. Эти компоненты, называемые конденсаторами, используются для поддержания линии напряжения. Эти компоненты могут минимизировать потерю мощности. Посредством базовых последовательных и параллельных комбинаций могут быть получены дальнейшие сложные соединения.

Что такое последовательный конденсатор?

Соединение между конденсаторами, помещенными в одну линию, можно определить как последовательно соединенные конденсаторы.Пластина положительных зарядов одного конденсатора соединена с пластиной отрицательного заряда другого конденсатора. В этом типе подключения каждый конденсатор имеет одинаковую величину заряда и зарядный ток.

Хотя зарядный ток такой же, но отличается от падения напряжения. На каждом конденсаторе разное падение напряжения. Но общее падение напряжения, которое применяется между входной и выходной линиями, совпадает с суммой напряжений отдельных падений.

Последовательные конденсаторы Работа и уравнение

Конденсатор, подключенный последовательно, обычно имеет меньшую емкость. Когда эти соединения выполнены, ток, протекающий по цепи, будет одинаковым. Следовательно, заряд, накопленный вокруг каждого из конденсаторов, также одинаков.

Конденсаторы, подключаемые последовательно

Обычно конденсаторы подключаются по схеме «гирляндной цепи». В таких схемах ток для зарядки будет одинаковым.Это потому, что путь устанавливается таким же.

Общий ток = Ток на C1 = Ток на C2

Вместо емкости заряд в каждом конденсаторе одинаков. Потому что обкладки каждого конденсатора соединены смежным образом.

Общий заряд = Заряд на C1 = Заряд на C2

Когда конденсаторы следуют последовательному соединению и подключено более трех конденсаторов. C1 обеспечивается источником питания, а C3 подключается к выходному концу.В то время как C2 в середине изолирован от прямого взаимодействия источника напряжения (DC). Из-за этого падения напряжения на каждом конденсаторе разные. Это зависит от индивидуальных емкостей каждого конденсатора.

Обычно заряд, емкость и падение напряжения связаны как

Q = CV

Формулу можно переписать как

C = Q / V

Напряжение на конденсаторах можно рассчитать как

Общее напряжение = Напряжение на C1 + напряжение на C2

Общее напряжение (Q / C) = Q1 / C1 + Q2 / C2

В серии заряд будет равен Q1 = Q2

Наконец, разделив уравнение на Q с обеих сторон

1 / C = 1 / C1 + 1 / C2

Следовательно, приведенное выше уравнение предназначено для расчета емкости для последовательного соединения конденсаторов.

Пример

Два конденсатора, соединенных последовательно, номиналом 10 мкФ и 20 мкФ. Найти значение емкости в цепи?

решение : дано C1 = 10 мкФ

C2 = 20 мкФ

Общая емкость может быть рассчитана как обратная величина для отдельных емкостей.

1 / C = 1/10 +1/20

1 / C = 0,15 микрофарад

Что такое конденсатор, подключенный параллельно?

Поскольку в конденсаторах две пластины, первая пластина конденсатора соединена с первой пластиной второго конденсатора.Это называется параллельным подключением конденсаторов. Следовательно, конденсаторы при параллельном соединении имеют одинаковое количество значений напряжения. Общее значение емкости — это сумма отдельных емкостей.

Конденсаторы при параллельной работе и уравнении

При параллельном подключении конденсаторов. Каждый из конденсаторов в цепи имеет прямое взаимодействие с проводником. Это приводит к тому, что потенциал конденсатора остается прежним. Заряд будет таким же, как и у каждого конденсатора, имеющего индивидуальное соединение с предоставленным источником питания.

Общая стоимость может быть рассчитана как сумма отдельных сборов.

Общая сумма начислений (Q) = Q1 + Q2 + …….

Если два конденсатора подключены параллельно.

Тогда Q = Q1 + Q2. Где Q = CV

CV = C1V1 + C2V2

В параллельной комбинации V = V1 = V2

CV = (C1 + C2) V

Следовательно, C = C1 + C2

Пример

Найдите значение итога емкость, если в цепь включены два конденсатора по 10 мкФ и 20 мкФ?

Решение:

При C1 = 10 мкФ

C2 = 20 мкФ

В параллельной комбинации общую емкость можно рассчитать как

C = C1 + C2

C = 10 + 20 = 30 мкФ

На основании приведенных выше формул можно рассчитать значение емкости.

Конденсаторы можно подключать последовательно и параллельно. В таких ситуациях соединение должно быть идентифицировано. На основе идентификации используются подходящие формулы последовательного и параллельного совмещения.

Пример

Найдите значение емкости, при котором в цепь включены три конденсатора по 10 мкФ?

Конденсаторы, соединенные последовательно и параллельно

Решение:

Данная схема состоит из конденсаторов C1, C2 и C3.

Из анализа схемы конденсаторы C1 и C2 соединены последовательно.

Эквивалентную емкость C1 и C2 можно рассчитать по формуле

1 / C = 1 / C1 + 1 / C2

1 / C = 1/10 + 1/10

1 / C = 2/10

Наконец, C = 10/2 = 5 мкФ.

Далее этот C подключен параллельно конденсатору C3.

Эквивалентную емкость схемы можно найти по формуле

C (Всего) = C + C3 = 5 + 10 = 15 микрофарад

Следовательно, значение емкости может быть определено на основе последовательного и параллельного анализа.Отмечается, что значение емкости уменьшается при последовательном соединении. В параллельной комбинации увеличивается значение емкости. Но в случае сопротивления все наоборот. Из приведенного выше анализа можете ли вы определить, если вам нужно хранить огромное количество энергии, то какая комбинация подключения предпочтительнее?

Алюминиевый электролитический конденсатор Технические примечания / Гибрид, конденсатор, блоки питания RUBYCON CORPORATION

6. Меры предосторожности при использовании по назначению

6-1 Общие меры предосторожности

Основные меры предосторожности при использовании алюминиевых электролитических конденсаторов приведены здесь.

6-2 Приложение для зарядки и разрядки

Ухудшение характеристик алюминиевого электролитического конденсатора ускоряется при повторной зарядке и разрядке. Износ ускоряется, поскольку напряжение заряда-разряда выше, сопротивление разряда меньше, цикл заряда-разряда короче, а температура окружающей среды выше. В зависимости от условий зарядки-разрядки устройств, которые имеют частую регенерацию, таких как сервоусилитель, и которые имеют большую амплитуду пульсаций напряжения, таких как освещение, могут произойти срабатывание защитной вентиляции и разрыв.Поэтому необходимо правильно выбрать изделие с учетом условий его эксплуатации.
Факторы, вызывающие ухудшение характеристик и выход из строя конденсатора при зарядке и разряде, включают выделение тепла и увеличение тока утечки из-за заряда-разряда, ухудшение и локальное разрушение анодированной пленки, образование катодной фольги из-за разряда и образование газа с образованием и т. Д. .

①Превышение температуры, вызванное током заряда и разряда
Для конденсаторов, подвергающихся частым циклам зарядки и разрядки из-за очень низкого сопротивления разряда (менее нескольких Ом), таких как вспышки для фотоаппаратов и сварочных аппаратов, повышение температуры из-за высокого тока заряда-разряда является основным фактором ухудшения рабочих характеристик.

Рис.21 Принципиальная схема зарядно-разрядной цепи

Благодаря своей конструкции алюминиевый электролитический конденсатор имеет внутреннее сопротивление R _E , показанное на рисунке 21. Внутреннее сопротивление обусловлено характеристиками электролита, электродной фольги и оксидной пленки. Потеря мощности W из-за внутреннего сопротивления, возникающего при разряде, указывается в уравнении 20.

Повышение температуры из-за этой потери мощности вызывает повышение внутренней температуры конденсатора.
Это повышение температуры продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие между повышением температуры и тепловым излучением от поверхности конденсатора.
По мере увеличения внутренней температуры оксидная пленка на анодной фольге постепенно разрушается, ускоряя деградацию конденсатора, что проявляется в увеличении тока утечки и внутреннего сопротивления. Следовательно, необходимо использовать конденсаторы с более низким внутренним сопротивлением, чтобы свести к минимуму нагрев и продлить срок службы при использовании с приложениями, которые имеют низкое сопротивление разряду и предполагают частую зарядку и разрядку.Когда ток заряда и разряда чрезвычайно высок, необходимо использовать конденсатор, который предназначен для снижения диэлектрических потерь и с низким внутренним сопротивлением, поскольку диэлектрические потери оксидной пленки на анодной фольге являются еще одним фактором ухудшения рабочих характеристик.

②Влияние разряда на катодную фольгу
Когда конденсатор подвергается частым и повторяющимся циклам включения-выключения, например, с источником питания для звуковых усилителей, образование оксидной пленки на катодной фольге считается решающим фактором ухудшения рабочих характеристик.Это явление связано с количеством разряжаемого электрического заряда и величиной емкости катодной фольги.

Рис.22 Перенос электрического заряда при разряде

Поведение электрического заряда от стадии зарядки до стадии разряда показано на Рисунке 22. Заряд сохраняется как в анодной фольге, так и в катодной фольге, как показано на Рисунке 22 (a) во время стадии заряда. Когда он переходит на стадию разряда, каждый электрический заряд перемещается, чтобы нейтрализовать полярность.Однако, когда электрический заряд, накопленный в анодной фольге, больше, чем в катодной фольге, дополнительные заряды остаются после завершения разряда, как показано на рисунке 22 (c). Это то же явление, что и при зарядке катодной фольги положительной полярностью. Когда напряжение превышает напряжение, которое может выдержать оксидная пленка на катодной фольге, оксидная пленка начинает расти с уменьшающимся током. В конце концов, емкость катодной фольги уменьшается, и емкость конденсатора соответственно уменьшается, так как это композиция анодной и катодной емкостей.Образование газа, вызванное этой электрохимической реакцией, увеличивает внутреннее давление конденсатора.
Ниже приводится подробное объяснение напряжения, приложенного к катодной фольге после завершения разряда.

Когда на конденсатор подается постоянное напряжение, напряжение распределяется между анодной фольгой и катодной фольгой пропорционально отношению Rα и Rc, как показано на рис. 23. Где Rα ›› Rc, поскольку Rc — сопротивление изоляции тонкая оксидная пленка на катоде в направлении, в котором легко течет электричество.
Обычно Cα Могут быть случаи, когда в качестве катодной фольги используется формованная фольга. Если это вызывает беспокойство, проконсультируйтесь с нами по поводу конкретного решения.

6-3 Пусковой ток

Ток (пусковой и пусковой ток) — это большой ток, временно протекающий при подаче питания на устройство, использующее двигатель или имеющее сглаживающий конденсатор с большой емкостью.Ток намного больше, чем значение тока в установившемся режиме. Как правило, однократная / кратковременная большая токовая нагрузка при запуске не является проблемой для конденсатора, но в случае схемы, в которой к конденсатору часто прикладывается большая токовая нагрузка, тепловыделение конденсатора может превышать допустимое значение или аномальное нагревание может возникнуть в месте соединения между внутренним электродом и выводом провода или соединения с внешним выводом.

6-4 Применение перенапряжения

При приложении напряжения, превышающего номинальное напряжение конденсатора, протекает ток и образование оксидной пленки продолжается до тех пор, пока выдерживаемое напряжение анода не будет соответствовать приложенному напряжению, что приведет к уменьшению емкости и увеличению tan δ (ESR).Поскольку эта реакция связана с выделением тепла и газом, она может привести к срабатыванию защитной вентиляции конденсатора из-за повышения внутреннего давления или внутреннего короткого замыкания.

Рис.25 Изменение емкости при повышении напряжения

6-5 Применение обратного напряжения

Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют полярность. При приложении обратного напряжения ток течет и образование оксидной пленки продолжается до тех пор, пока выдерживаемое напряжение катода не будет соответствовать приложенному напряжению, что приводит к уменьшению емкости, увеличению tan δ (ESR) и образованию газа.При подаче высокого обратного напряжения предохранительный клапан конденсатора может сработать из-за повышения внутреннего давления, вызванного выделением газа.

Рис.26 Изменение емкости при подаче обратного напряжения

Серия 6-6 / Параллельное соединение

① Серия для подключения конденсатора

Рис.27 Подключение последовательного конденсатора

Когда два конденсатора соединены последовательно, напряжение на клеммах каждого конденсатора при зарядке прикладывается обратно пропорционально емкости каждого конденсатора, как показано ниже.

Это означает, что напряжение, приложенное к любому конденсатору, может быть выше номинального напряжения, что приведет к срабатыванию защитной вентиляции, если их значения емкости сильно различаются. После завершения зарядки напряжение на клеммах каждого конденсатора зависит от уровня тока утечки. Затем на клеммы любого конденсатора может быть подано перенапряжение, если другой конденсатор имеет высокий ток утечки, что может вызвать срабатывание защитной вентиляции.
Чтобы предотвратить разницу в значениях напряжения на клеммах, полезно установить резисторы распределения напряжения, как показано на рис.28 и выбрать два конденсатора с минимальной разницей в емкостях. Мы рекомендуем использовать конденсаторы одной партии. Следуйте формуле 27, чтобы использовать резисторы распределения напряжения.

Рис.28 Подключение последовательного конденсатора с балансным сопротивлением

Примечание. В цепи с большой нагрузкой заряда / разряда возможен отказ.
Причины отказа из-за того, что ток утечки конденсатора со временем увеличивается, баланс напряжений
может быть потеряно, и напряжение, превышающее номинальное, может быть приложено к одному из конденсаторов,
даже если установлен балансировочный резистор.

②Параллельное подключение конденсатора
При параллельном подключении конденсаторов, как показано на рис. 29 (a), поскольку сопротивление проводки отдельных конденсаторов будет различным, ток протекает преимущественно к конденсатору с малым сопротивлением проводки, и его тепловыделение увеличивается. В таком случае ухудшение характеристик (уменьшение емкости, увеличение ESR и т. Д.) Конденсатора, расположенного в определенном месте (месте с низким сопротивлением проводки), ускоряется, что приводит к пробою, и существует вероятность того, что ожидаемый срок службы устройства может не устраивать.Следовательно, в случае параллельного подключения, пожалуйста, спроектируйте схему так, чтобы она стала проводкой одинаковой длины, как показано на Рис. 29 (b).

Рис.29 Схема подключения конденсаторов параллельно

6-7 Напряжение перезапуска

Когда заряженный алюминиевый электролитический конденсатор разряжается путем закорачивания контактов и остается открытым на некоторое время, напряжение между выводами конденсатора снова возрастает. Это повышенное напряжение называется «регенеративным напряжением».Механизм этого явления объясняется следующим образом.
Как правило, конденсатор имеет структуру, показанную на рисунке 30, с диэлектрическим веществом между двумя электродами. Диэлектрик алюминиевого электролитического конденсатора представляет собой оксидную пленку, образованную на поверхности алюминиевой фольги в процессе формования. Когда на диэлектрик подается напряжение, возникает поляризация из-за диэлектрического эффекта. Поляризация не сразу реагирует на электрическое поле и может задерживаться упругой вязкостью молекул.Существуют различные типы поляризации, включая поляризацию пространственного заряда, атомную поляризацию и электронную поляризацию.

Рис.30 Поляризация диэлектрика при зарядке конденсатора

Когда напряжение прикладывается к диэлектрику, атомная поляризация и электронная поляризация завершаются за короткий период времени, но считается, что для завершения других типов поляризации, таких как поляризация пространственного заряда, требуется больше времени. Когда напряжение между клеммами снижается до нуля и после этого цепь между клеммами остается разомкнутой, между клеммами появляется поляризация, которая требует больше времени, создавая восстанавливающееся напряжение.
Пиковое напряжение восстановления достигает от одной до трех недель после отключения клемм, а затем постепенно снижается. Напряжение восстановления обычно выше в конденсаторах большей емкости, таких как конденсаторы с винтовыми клеммами и самонесущие клеммы.
Если восстанавливающееся напряжение присутствует, замыкание клемм вызовет искру. Это может напугать человека, работающего с конденсатором, а также существует риск повреждения низковольтных устройств в цепи, таких как процессоры и память.Чтобы этого не произошло, рекомендуется перед использованием разрядить конденсатор с помощью резистора примерно 1 кОм. Мы также занимались защитной упаковкой от повторного пробоя напряжения, поэтому, пожалуйста, проконсультируйтесь с нами.

6-8 Использование на большой высоте

Когда алюминиевый электролитический конденсатор используется для оборудования, используемого на большой высоте, например в горах и в самолетах, хотя предполагается, что давление внутри конденсатора будет относительно выше из-за снижения давления наружного воздуха, не возникает проблем с герметизацией. конденсатор для использования в атмосфере до 10 000 м.Кроме того, нет проблем с уплотнением при использовании в вакууме. Однако, поскольку температура снижается с увеличением высоты, проверьте работу оборудования, учитывая, что алюминиевый электролитический конденсатор имеет свойство уменьшать емкость и tanδ (ESR) при низкой температуре. Для справки, в таблице 3 показано соотношение между высотой и температурой / атмосферным давлением.

Таблица 3 Высота и температура / атмосферное давление

Кроме того, теплоотдача конденсатора в наружный воздух уменьшается (увеличивается тепловое сопротивление) на большой высоте или при пониженном давлении и вакууме, поэтому необходимо применить определенное снижение номинальных значений тока пульсаций, указанное в каталоге.Для подробной информации, пожалуйста, свяжитесь с нами.

Конденсатор электролитический

Конденсатор
обзор

Электролитические конденсаторы в основном используются при
требуется хранение большого количества заряда в небольшом объеме. В
электролитические конденсаторы, жидкий электролит действует как один из
электроды (в основном действуют как катод).Чтобы лучше понять
концепция электролитического конденсатора сначала нам нужно знать
работа общего конденсатора.

Конденсатор — это электронное устройство, которое
хранит электрический заряд. Он состоит из двух токопроводящих пластин.
разделены изоляционным материалом, называемым диэлектриком. Разные
типы изоляционных материалов используются для строительства
диэлектрик в зависимости от использования.

Проводящие пластины конденсатора
хорошие проводники электричества. Поэтому они легко позволяют
электрический ток через них. С другой стороны, диэлектрик
Среда или материал плохо проводят электричество. Следовательно,
он не пропускает через него электрический ток.

При подаче напряжения на конденсатор в
таким образом, чтобы отрицательная клемма аккумулятора была
подключен к правой боковой пластине и положительной клемме
батарея подключена к левой боковой пластине, конденсатор
начинает заряжаться.

Из-за этого напряжения питания,
электроны начинают течь от отрицательного вывода
аккумулятор и дотянитесь до правой боковой пластины. Дойдя вправо
боковой пластине, электроны испытывают сильное сопротивление со стороны
диэлектрический материал, потому что диэлектрический материал плохой
проводник электричества.

В результате большое количество электронов
попал в ловушку на правой боковой пластине конденсатора.Однако эти большие
количество электронов прикладывает силу или электрическое поле к
левая боковая пластина. Следовательно, электроны на левой боковой пластине
испытывать силу отталкивания от избыточных электронов справа
пластина. В результате электроны удаляются от левой боковой пластины и
тянется к плюсовой клемме аккумулятора.

Следовательно, правая боковая пластина становится больше
отрицательно заряжен (отрицательный заряд создается) из-за
получение лишних электронов.С другой стороны, левая сторона
пластина становится более положительно заряженной (накапливается положительный заряд)
из-за потери электронов. В результате напряжение
устанавливается между пластинами. Вот так нормальный конденсатор
работает.

Электролитический конденсатор также заряжается
в основном аналогичным образом. Однако материал, используемый в
конструкция электролитического конденсатора отличается.

электролитический
определение конденсатора

Электролитический конденсатор — это разновидность
конденсатор, который использует электролит (ионную проводящую жидкость) в качестве
одна из его проводящих пластин для достижения большей емкости или
хранение высокого заряда.

Что
такое электролит?

Электролит — жидкий электрический проводник.
в котором электрический ток переносится движущимися ионами.За
Например, в нашей крови электролиты или минералы несут электрический ток.
обвинять. Наиболее распространенные электролиты — это натрий, калий,
хлорид, кальций и фосфор.

В электролитах ионы бывают двух типов, а именно:
анионы (-) и катионы (+). Анион — это ион с большим числом
электронов, чем протонов. Мы знаем, что электроны отрицательно
заряжены, а протоны заряжены положительно.Из-за
количество электронов больше, чем протонов, общий заряд
атом или анион становятся отрицательными. Поэтому анионы называют
отрицательно заряженные ионы. Эти отрицательно заряженные анионы несут
отрицательный заряд.

С другой стороны, катион имеет меньшее количество
электронов, чем протонов. Из-за меньшего количества
электронов, чем протонов, общий заряд атома или катиона
становится положительным.Поэтому катионы называют положительно
заряженные ионы. Эти положительно заряженные катионы несут положительный
обвинять.

Типы
электролитических конденсаторов

Электролитические конденсаторы классифицируются по
три типа в зависимости от материала, из которого изготовлен
диэлектрик:

• Конденсаторы алюминиевые электролитические
• Конденсаторы электролитические танталовые
• Конденсаторы электролитические ниобиевые

В этом уроке алюминиевый электролитический
конденсатор объяснен.Алюминий, тантал и ниобий
электролитические конденсаторы работают аналогичным образом. Тем не менее
материал, из которого изготовлены электроды, разный.

Алюминий
электролитический конденсатор

Алюминиевый электролитический конденсатор изготовлен из
две алюминиевые фольги, слой оксида алюминия, электролитическая бумага
или бумажная прокладка, пропитанная электролитической жидкостью или растворами и
жидкий или твердый электролит.Электролитическая жидкость содержит атомы или молекулы
которые потеряли или приобрели электроны.

В алюминиевом электролитическом конденсаторе, анод
(+) и катод (-) изготовлены из чистой алюминиевой фольги.
Анодная алюминиевая фольга покрыта тонким слоем
изоляционный оксид алюминия (алюминиевый элемент с кислородом
элемент). Эта изолирующая алюминиевая фольга действует как диэлектрик
электролитический конденсатор, блокирующий прохождение электрического тока.Катод и анод с оксидным покрытием разделены
электролитическая бумага (пропитанная электролитической жидкостью).

Катодная алюминиевая фольга также покрыта
очень тонкий изолирующий оксидный слой или диэлектрик естественной формы
самолетом. Однако этот оксидный слой очень тонкий по сравнению с
оксидный слой сформирован на аноде.

Следовательно, конструкция из алюминия
электролитический конденсатор выглядит как два конденсатора, соединенные в
серия с анодной емкостью C _A и катодом
емкость C _K .

Общая емкость конденсатора составляет
полученная таким образом из формулы последовательного соединения двух
конденсаторы.

Где, C _A = емкость анода

C _K = Емкость катода

C _ecap = Общая емкость электролитического конденсатора

Мы знаем, что емкость или заряд
емкость конденсатора прямо пропорциональна поверхности
площадь токопроводящих пластин или электродов и наоборот
пропорциональна толщине диэлектрика.Другими словами,
конденсаторы с большими электродами хранят большое количество заряда
в то время как конденсаторы с небольшими электродами хранят небольшое количество
заряда. Аналогичным образом конденсаторы очень толстой
диэлектрик сохраняет небольшой заряд, тогда как конденсаторы
с очень тонким диэлектриком хранит очень большое количество заряда.

В обычных конденсаторах диэлектрик очень
толстый, что приводит к низкой емкости на единицу объема.В
электролитические конденсаторы, электролит действует как настоящий
катод с большой площадью поверхности и очень прочным диэлектриком.
тонкий. Поэтому из-за большой площади поверхности
электрод и тонкий диэлектрик, большой запас заряда
достигается в электролитических конденсаторах.

Электропроводность
электролитический конденсатор увеличивается при повышении температуры
и уменьшается при понижении температуры.В результате
емкость или накопитель заряда алюминиевого электролита
конденсатор также увеличивается при повышении температуры и
уменьшается при понижении температуры. Следовательно
емкость алюминиевого электролитического конденсатора в значительной степени
влияет изменение температуры.

Большинство электролитических конденсаторов
поляризованный, то есть напряжение, подаваемое на клеммы, должно быть
в правильной полярности (положительный вывод подключен к положительному выводу и
отрицательный подключен к отрицательной клемме).Если он подключен в
обратное или неправильное направление, конденсатор может быть коротким
замкнутый, то есть большой электрический ток течет через
конденсатор, и это может привести к необратимому повреждению конденсатора.

В поляризованных конденсаторах знак минус (-) или
Знак плюс (+) четко обозначен на любом из двух выводов.
Эта полярность должна соблюдаться.

Символ
электролитического конденсатора

Показан символ электролитического конденсатора.
на рисунке ниже.Электролитический конденсатор представлен
двумя параллельными прямыми или одной прямой и одной
изогнутая линия.

Знак плюс или минус пишется рядом с любым
линий, чтобы обозначить, является ли он положительным или отрицательным
клемма (анод или катод). Напряжение должно подаваться на
правильный терминал. В противном случае конденсатор может выйти из строя.

Преимущества
электролитических конденсаторов

• Достигнут большой объем хранения заряда
• Низкая стоимость

Недостатки
электролитических конденсаторов

• Большой ток утечки
• Короткий срок службы

Приложения
электролитических конденсаторов

Различные применения электролитических
конденсаторы включают:

• Фильтры
• Цепи с постоянной времени

Обзор электролитического конденсатора

| Инженеры Edge

Связанные ресурсы: приборы

Обзор электролитического конденсатора

Электролитический конденсатор — это тип конденсатора, в котором в качестве одной из пластин используется электролит, ионно-проводящая жидкость, для достижения большей емкости на единицу объема, чем в других типах.Они используются в относительно сильноточных и низкочастотных электрических цепях, особенно в фильтрах источников питания, где они накапливают заряд, необходимый для смягчения колебаний выходного напряжения и тока на выходе выпрямителя. Они также широко используются в качестве разделительных конденсаторов в цепях, где должен проводиться переменный ток, а постоянный — нет. Обычно используются два типа электролитических конденсаторов: алюминиевые и танталовые.

Электролитические конденсаторы способны обеспечить самые высокие значения емкости среди конденсаторов любого типа (см. Суперконденсаторы), но у них есть недостатки, ограничивающие их использование.Стандартная конструкция требует, чтобы подаваемое напряжение было поляризованным; одна указанная клемма всегда должна иметь положительный потенциал по отношению к другой. Поэтому они не могут использоваться с сигналами переменного тока без поляризационного смещения постоянного тока. Однако существуют специальные неполяризованные электролитические конденсаторы для переменного тока, которые не требуют смещения постоянного тока. Электролитические конденсаторы также имеют относительно низкое напряжение пробоя, более высокий ток утечки и индуктивность, более низкие допуски и температурный диапазон, а также более короткий срок службы по сравнению с другими типами конденсаторов.

Строительство:

Алюминиевые электролитические конденсаторы состоят из двух проводящих алюминиевых фольг, одна из которых покрыта изолирующим оксидным слоем, и бумажной прокладки, пропитанной электролитом. Фольга, изолированная оксидным слоем, является анодом, а жидкий электролит и вторая фольга действуют как катод. Затем этот пакет сворачивают, снабжают штифтовыми соединителями и помещают в цилиндрический алюминиевый кожух. Двумя наиболее популярными геометриями являются осевые выводы, идущие из центра каждой круговой поверхности цилиндра, или два радиальных вывода или выступа на одной из круглых поверхностей.Оба они показаны на картинке.

Полярность:

В алюминиевых электролитических конденсаторах слой изолирующего оксида алюминия на поверхности алюминиевой пластины действует как диэлектрик, и именно тонкость этого слоя обеспечивает относительно высокую емкость в небольшом объеме. Этот оксид имеет диэлектрическую проницаемость 10, что в несколько раз выше, чем у большинства обычных полимерных изоляторов. Он может выдерживать напряженность электрического поля порядка 25 мегавольт на метр, что является приемлемой долей по сравнению с обычными полимерами.Эта комбинация высокой емкости и достаточно высокого напряжения приводит к высокой плотности энергии.

Большинство электролитических конденсаторов поляризованы и требуют, чтобы один из электродов был положительным по отношению к другому; они могут катастрофически выйти из строя, если поменять напряжение на противоположное. Это связано с тем, что напряжение обратного смещения от 1 до 1,5 В разрушит центральный слой диэлектрического материала в результате электрохимического восстановления (см. Окислительно-восстановительные реакции). После потери диэлектрического материала в конденсаторе произойдет короткое замыкание, и при достаточном токе короткого замыкания электролит быстро нагреется и либо протечет, либо вызовет взрыв конденсатора, часто очень драматично.

Чтобы свести к минимуму вероятность того, что поляризованный электролит будет неправильно вставлен в цепь, полярность очень четко указана на корпусе. Полоса на стороне конденсатора обычно используется для обозначения отрицательного вывода. Кроме того, отрицательный вывод радиального электролита короче положительного и может быть различим в других отношениях. На печатной плате принято указывать правильную ориентацию, используя квадратную площадку со сквозным отверстием для положительного вывода и круглую площадку для отрицательного вывода.

Доступны специальные конденсаторы, предназначенные для работы на переменном токе, обычно называемые «неполяризованными» или «NP» типами. В них перед сборкой на обеих полосах алюминиевой фольги формируются оксидные слои полной толщины. На чередующихся половинах циклов переменного тока одна из полосок фольги действует как блокирующий диод, предотвращая повреждение электролита другой полоски обратным током.

Современные конденсаторы имеют предохранительный клапан, как правило, либо секцию с надрезом, либо специальное торцевое уплотнение для выпуска горячего газа / жидкости, но разрывы все же могут быть значительными.Электролитик может выдерживать обратное смещение в течение короткого периода времени, но будет проводить значительный ток и не работать как очень хороший конденсатор. Большинство из них выживут без обратного смещения постоянного тока или только с напряжением переменного тока, но схемы должны быть спроектированы так, чтобы не было постоянного обратного смещения в течение значительного количества времени.

На иллюстрации показаны наиболее распространенные условные обозначения электролитических конденсаторов. На некоторых схемах не печатается знак «+» рядом с символом.На более старых схемах электролитические конденсаторы показаны в виде небольшой положительной пластины, окруженной снизу и по бокам большим тарельчатым отрицательным электродом, обычно без маркировки «+».

Емкость:

Значение емкости любого конденсатора является мерой количества электрического заряда, накопленного на единицу разности потенциалов между пластинами. Основная единица емкости — фарада; однако этот блок был слишком большим для общего использования до изобретения двухслойного конденсатора, поэтому чаще используются микрофарады (�F, или, что менее правильно, мкФ), нанофарады (нФ) и пикофарады (пФ).

Многие условия определяют емкость конденсатора, например, толщину диэлектрика и площадь пластины. В процессе производства электролитические конденсаторы изготавливаются в соответствии с набором предпочтительных номеров. Умножив эти основные числа на степень десяти, можно получить любое практическое значение емкости конденсатора, которое подходит для большинства приложений.

Пассивные электронные компоненты, включая конденсаторы, обычно производятся в предпочтительных номиналах (например, IEC 60063 E6, E12 и т. Д.серии).

Емкость алюминиевых электролитических конденсаторов имеет тенденцию изменяться со временем, и обычно они имеют диапазон допуска 20%. Некоторые из них имеют асимметричные допуски, обычно –20%, но с гораздо большим положительным допуском, поскольку многие схемы просто требуют, чтобы емкость была не меньше заданного значения; это можно увидеть в технических описаниях многих конденсаторов потребительского класса. Танталовые электролиты могут производиться с более жесткими допусками и более стабильными.

Типы:

В отличие от конденсаторов, в которых используется объемный диэлектрик, изготовленный из изолирующего материала, диэлектрик в электролитических конденсаторах зависит от образования и поддержания микроскопического слоя оксида металла.По сравнению с объемными диэлектрическими конденсаторами этот очень тонкий диэлектрик обеспечивает гораздо большую емкость в том же единичном объеме, но для поддержания целостности диэлектрика обычно требуется постоянное приложение правильной полярности напряжения, иначе оксидный слой разрушится и разорвется. конденсатор теряет способность выдерживать приложенное напряжение (хотя его часто можно «преобразовать»). Кроме того, в электролитических конденсаторах обычно используется внутренняя влажная химия, и они в конечном итоге выйдут из строя, если вода внутри конденсатора испарится.

Значения электролитической емкости не так строго определены, как для объемных диэлектрических конденсаторов. Особенно в случае с алюминиевыми электролитами, довольно часто можно увидеть электролитический конденсатор, указанный как имеющий «гарантированное минимальное значение» и не имеющий верхнего предела его значения. Этот тип спецификации приемлем для большинства целей (таких как фильтрация источника питания и связь сигналов).

Как и объемные диэлектрические конденсаторы, электролитические конденсаторы бывают нескольких разновидностей:

Алюминиевый электролитический конденсатор:

Компактные, но с потерями, они доступны в диапазоне от <1 ° F до 1 F с рабочим напряжением до нескольких сотен вольт постоянного тока.Диэлектрик представляет собой тонкий слой оксида алюминия. Они содержат агрессивную жидкость и могут лопнуть при обратном подключении устройства. Оксидный изолирующий слой будет иметь тенденцию к ухудшению в отсутствие достаточного восстанавливающего напряжения, и в конечном итоге конденсатор потеряет способность выдерживать напряжение, если напряжение не приложено. Конденсатор, с которым это произошло, часто можно «преобразовать», подключив его к источнику напряжения через резистор и позволяя результирующему току медленно восстанавливать оксидный слой.Биполярные электролитические элементы (также называемые неполяризованными или NP-конденсаторами) содержат две анодированные пленки, которые ведут себя как два последовательно соединенных конденсатора. Они используются, когда один электрод может быть положительным или отрицательным относительно другого в разные моменты времени в цепях переменного тока. Плохие частотные и температурные характеристики делают их непригодными для высокочастотных приложений. Типичные значения ESL составляют несколько наногенри.

Тантал:

Компактные низковольтные устройства с температурой до нескольких сотен ° F, они имеют более низкую плотность энергии и производятся с более жесткими допусками, чем алюминиевые электролиты.Танталовые конденсаторы также поляризованы из-за разнородных электродов. Анодный электрод сформирован из спеченных зерен тантала, а диэлектрик электрохимически сформирован в виде тонкого слоя оксида. Тонкий слой оксида и большая площадь поверхности пористого спеченного материала придают этому типу очень высокую емкость на единицу объема. Катодный электрод образован либо из жидкого электролита, соединяющего внешнюю емкость, либо из химически осажденного полупроводящего слоя диоксида марганца, который затем подключается к внешнему проводу.В разработках этого типа диоксид марганца заменяется проводящим пластичным полимером (полипирролом), который снижает внутреннее сопротивление и исключает самовоспламенение.

По сравнению с алюминиевыми электролитами танталовые конденсаторы имеют очень стабильную емкость, небольшую утечку постоянного тока и очень низкое сопротивление на высоких частотах. Однако, в отличие от алюминиевых электролитов, они не переносят скачков положительного или отрицательного напряжения и разрушаются (часто с сильным взрывом), если подключены в цепи в обратном направлении или подвергаются скачкам напряжения выше их номинального значения.

Танталовые конденсаторы дороже конденсаторов на основе алюминия (с жидким электролитом) и обычно доступны только в низковольтных версиях, но из-за их меньшего размера для данной емкости и более низкого импеданса на высоких частотах они популярны в миниатюрных приложениях, таких как сотовые телефоны.

Твердый алюминиевый электролитический конденсатор с органическим полупроводниковым электролитом или OS-CON (что означает OrganicSemi-Conductive):

Конденсатор нового поколения, в котором слои алюминиевой фольги погружены не в раствор жидкого электролита, а в твердый полупроводящий материал, полученный из изохинолина.Монокристаллический N-н-бутил-изохинолин подвергается термоформованию для придания окончательной формы, что существенно увеличивает его проводимость, таким образом защищая конденсатор от чрезмерных тепловых скачков, и, наконец, банки OS-CON герметизируются эпоксидной смолой. Эти конденсаторы стабильны при использовании в диапазоне от -55 ° C до практически 125 ° C в теории. Основными преимуществами использования этого конкретного полупроводника являются довольно низкое ESR, более широкий частотный диапазон и большая стабильность при использовании по сравнению с алюминиевыми конденсаторами с жидким электролитом и твердыми полимерными конденсаторами из тантала.Конденсаторы OS-CON часто встречаются как SMD.

© Copyright 2000-2021, Engineers Edge, LLC www.engineersedge.com
Все права защищены
Отказ от ответственности

| Обратная связь | Реклама
| Контакты

Дата / Время:

Выбор пленочных или электролитических конденсаторов для цепей преобразования энергии

Благодаря низкому эквивалентному последовательному сопротивлению (ESR), обеспечивающему хорошую обработку пульсаций тока, а также высоким номинальным импульсным напряжениям и самовосстановлению, пленочные конденсаторы являются сильными кандидатами. для многих задач по кондиционированию энергии в ключевых приложениях, таких как электромобили, возобновляемые источники энергии и промышленные приводы.Они особенно подходят для сценариев, где не требуется задержка (или прохождение), например, в случае сбоя или между пиками пульсаций линейной частоты, и где есть потребность в источнике или приеме больших высокочастотных сигналов. пульсации тока с высокой надежностью и низкими потерями.

Пленочные конденсаторы

также отлично подходят для приложений, работающих при высоком напряжении на шине постоянного тока, чтобы минимизировать омические потери. Поскольку алюминиевые электролитические конденсаторы доступны только с номиналами до 550 В, приложения, работающие с более высокими напряжениями, требуют последовательного подключения нескольких устройств.Затем становится необходимым предотвратить дисбаланс напряжений, либо выбирая конденсаторы с согласованными значениями, что дорого и требует много времени, либо добавляя резисторы для выравнивания напряжения, которые приводят к дополнительным потерям энергии и стоимости спецификации.

С другой стороны, алюминиевый электролит остается сильным выбором, когда первоочередной задачей является чистая плотность накопления энергии (джоуль / см ³ ). Одним из примеров являются обычные автономные источники питания, в которых требуется экономичное накопление большого количества энергии для поддержания выходного напряжения постоянного тока в случае отключения электроэнергии без резервного аккумулятора.Подходящее снижение характеристик может снизить срок службы и проблемы надежности, часто связанные с алюминиевыми электролитами.

Однако верно, что алюминиево-электролитические конденсаторы могут выдерживать перенапряжения только около 20% до того, как произойдет повреждение, тогда как пленочные конденсаторы могут выдерживать воздействие напряжений, примерно в два раза превышающих их номинальные, в течение коротких периодов. Самовосстановление обеспечивает более безопасную реакцию на периодические стрессы, которые обычно встречаются в реальных приложениях.

Кроме того, пленочные конденсаторы могут обеспечить более простые варианты подключения и монтажа, они неполяризованы и, следовательно, невосприимчивы к ошибкам обратного подключения.Их часто упаковывают в изолированные, эффективные по объему прямоугольные «коробчатые» корпуса. Доступны различные типы электрических соединений, такие как винтовые клеммы, наконечники, «фастоны» или шины.

В таблице 1 сравниваются свойства широко используемых типов пленочных конденсаторов. Типы полиэфиров используются при низких напряжениях, в то время как полипропилен обычно демонстрирует самые низкие потери и самую высокую надежность при нагрузках благодаря низкому коэффициенту рассеяния (DF) и высокому диэлектрическому пробою на единицу толщины.Пеленгатор также относительно стабилен при изменении температуры и частоты. Также доступен сегментированный высококристаллический металлизированный полипропилен с плотностью энергии, сравнимой с плотностью алюминиевых электролитов.

Таблица 1. Характеристики распространенных типов пленочных конденсаторов. (Источник: Википедия: Пленочный конденсатор)

Выбор подходящего конденсатора

Анализ некоторых распространенных схем преобразования мощности может показать, как выбор конденсаторной технологии существенно влияет на размер, вес и стоимость в зависимости от того, нужна ли емкость для хранения энергии или для обработки пульсаций или шума.

Например, сравнение электролитических и пленочных конденсаторов, используемых в качестве объемной емкости для автономного преобразователя мощностью 1 кВт, наглядно демонстрирует различия между свойствами этих двух типов. Преобразователь, как показано на рис. , рис. 1 , оснащен входным каскадом с коррекцией коэффициента мощности и имеет номинальное напряжение на шине постоянного тока (Vn) 400 В.

1. Емкость в качестве накопителя энергии при перебоях в подаче электроэнергии.

Предположим, что КПД составляет 90%, а напряжение отключения (Vd) 300 В, ниже которого регулирование выхода теряется.Если происходит сбой, конденсатор большой емкости C1 подает энергию для поддержания постоянной выходной мощности, когда напряжение на шине падает с 400 В до 300 В. Мы можем рассчитать значение C1, необходимое для прохождения 20 мсек до того, как напряжение упадет ниже 300 V:

Алюминиево-электролитический конденсатор емкостью 680 мкФ, 450 В из серии TDK-EPCOS B43508 в корпусе диаметром 35 мм × 55 мм соответствует требованиям с общим объемом 53 см ³ (около трех кубических дюймов). Напротив, решение с использованием пленочных конденсаторов будет непрактично большим: может потребоваться параллельное подключение до 15 пленочных конденсаторов TDK-EPCOS B32678, в результате чего общий объем составит 1500 см ³ (91 кубический дюйм).

Выбор резко изменился бы, если бы конденсатор был нужен только для управления пульсациями напряжения в линии постоянного тока, например, в трансмиссии электромобилей. Напряжение на шине может быть 400 В, как и раньше, но питаться от аккумулятора, поэтому нет необходимости в прохождении через него. Было бы реалистично попытаться ограничить пульсации в пределах, скажем, 4 В (среднеквадратичное значение), в то время как преобразователь, расположенный ниже по потоку, потребляет 80-А действующий импульсный ток при частоте переключения 20 кГц. Требуемая емкость:

Электролитический конденсатор емкостью 180 мкФ, 450 В из серии TDK-EPCOS B43508 имеет номинальный ток пульсации около 3.5 А среднеквадратичное значение при 60 ° C, включая частотную коррекцию. Для обработки 80 А потребуется 23 конденсатора, подключенных параллельно, что дает ненужную большую емкость в 4140 мкФ и общий объем около 1200 см ³ (73 кубических дюйма). Это согласуется с практическим правилом 20 мА / мкФ для номинальных значений пульсаций тока электролитических конденсаторов.

Используя пленочные конденсаторы серии TDK-EPCOS B32678, всего четыре параллельно подключенных устройства дают номинальный ток пульсации 132 А среднеквадратичного значения в объеме 402 см ³ (24,5 кубических дюйма).Более того, если ожидается, что температура окружающей среды останется ниже 70 ° C, можно выбрать конденсаторы в еще меньшем размере корпуса.

Есть и другие причины, по которым пленочные конденсаторы являются лучшим выбором. Чрезмерная емкость параллельных электролитов может вызвать такие проблемы, как управление энергией в пусковом токе. Кроме того, пленочные типы гораздо более устойчивы в случае переходных перенапряжений в цепи постоянного тока, которые часто встречаются в приложениях с малой тягой, таких как электромобили.

Аналогичный анализ может быть применим для таких приложений, как системы ИБП, кондиционирование энергии в ветряных или солнечных генераторах, инверторы, подключенные к общей сети, и сварочные аппараты.

Фильм как первый выбор

Относительная стоимость пленочных или электролитических конденсаторов может быть проанализирована с точки зрения накопления в больших объемах или с точки зрения устойчивости к колебаниям. Цифры, опубликованные в 2013 году, сравнивают типичные затраты на шину постоянного тока с питанием от выпрямленного источника переменного тока 440 В (Таблица 2) .

Таблица 2.Сравнение стоимости пленочных и электролитических конденсаторов.

С учетом этого анализа пленочные конденсаторы являются отличным выбором для развязки, демпфирования переключателя и таких приложений фильтрации, как подавление электромагнитных помех или фильтрация на выходе инвертора.

Разделительный конденсатор, помещенный на шину постоянного тока инвертора или преобразователя, обеспечивает путь с низкой индуктивностью для циркуляции высокочастотных токов. Практическое правило — использовать около 1 мкФ на 100 А коммутируемого тока. Стоит отметить, что соединения с конденсатором должны быть как можно короче, чтобы избежать возникновения переходных напряжений.При большом токе и высокой частоте возможны изменения до 1000 А / мкс. Учитывая, что дорожки на печатной плате могут иметь индуктивность около 1 нГн / мм, каждый миллиметр может соответствовать переходному процессу 1 В в соответствии с:

В схеме переключения-демпфирования конденсатор подключается последовательно с комбинацией резистор / диод и подключается к переключателю питания — обычно IGBT или MOSFET — для управления dV / dt (рис. 2) . Демпфер замедляет звон, контролирует электромагнитные помехи и предотвращает ложное включение / выключение.Демпферная емкость обычно выбирается примерно в два раза больше суммы выходной емкости переключателя и монтажной емкости. Затем выбирается значение сопротивления для критического гашения любого звона.

2. Переключатель демпфера IGBT или MOSFET.

Подавление электромагнитных помех

Пленочные конденсаторы

также идеальны в качестве конденсаторов X и Y для снижения дифференциального и синфазного шума, соответственно (рис. 3) , используя их возможности самовосстановления и переходных перенапряжений.Конденсаторы класса безопасности X1 (4 кВ) или X2 (2,5 кВ) подключаются к линиям электропередач и обычно представляют собой полипропиленовые конденсаторы со значением емкости в микрофарадах, если это необходимо для соответствия применимым стандартам ЭМС.

3. Конденсаторы X и Y для подавления электромагнитных помех.

Конденсаторы

Y с низкой индуктивностью подключения подключаются в положениях «фаза-земля». На рис. 3 конденсаторы Y1 или Y2, рассчитанные на переходные процессы 8 кВ и 5 кВ, соответственно, подключены в положениях «линия-земля», как показано.Соображения по току утечки ограничивают величину допустимой емкости. Хотя низкая индуктивность подключения пленочных конденсаторов помогает поддерживать высокий собственный резонанс, внешние подключения к системе заземления также должны быть короткими.

Фильтрация выхода инвертора

Неполяризованные пленочные конденсаторы в сочетании с последовательными катушками индуктивности, часто в одном модуле, создают фильтры нижних частот для ослабления высокочастотных гармоник на выходе переменного тока приводов и инверторов (рис.4) . Они все чаще используются для соответствия системным требованиям по ЭМС и снижения нагрузки на кабели и двигатели, связанной с dV / dt, особенно когда нагрузка находится далеко от приводного устройства.

4. Пленочные конденсаторы используются для фильтрации ЭМС моторных приводов.

Заключение

Знание относительной прочности электролитических и пленочных конденсаторов для приложений преобразования энергии может помочь разработчикам сделать правильный выбор для оптимального общего размера, веса и стоимости материалов.Их можно резюмировать следующим образом:

Конденсаторы электролитические:

• Более высокая плотность накопленной энергии (джоуль / см ³ )
• Снижение затрат на объемную емкость для «прохода» напряжения на шине постоянного тока
• Поддерживать номинальный ток пульсации при более высоких температурах

Пленочные конденсаторы:

• Более низкое СОЭ для превосходной обработки пульсаций
• Более высокие значения перенапряжения
• Самовосстановление повышает надежность и срок службы системы

Руди Рамос (Rudy Ramos) — менеджер проекта по маркетингу технического контента в Mouser Electronics.

Энциклопедия электрохимии — Электролитические конденсаторы

Вернуться к: Домашняя страница энциклопедии — Содержание — Именной указатель — Предметный указатель — Поиск — Словарь — Домашняя страница ESTIR — Домашняя страница ECS КОНДЕНСАТОРЫ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЕ Сэм Парлер Cornell Dubilier Electronics, Inc. 140 Technology Place Liberty, SC 29657, USA Эл. Почта: [email protected] (март 2005 г.) Фиг.1. Заряды Q на аноде и катоде индуцируют заряды Q на диэлектрике. Конденсаторы не только заряжают, но и накапливают энергию. Эти заряды обычно хранятся на проводящих пластинах: положительно заряженной пластине, называемой анодом, и отрицательно заряженной пластине, называемой катодом (рис. 1). Чтобы заряды были разделены, среда между анодом и катодом, называемая диэлектриком , должна быть непроводящей — это электрический изолятор. Анод и катод сконфигурированы таким образом, что между ними происходит очень небольшое движение, когда они заряжаются, и сила, действующая на диэлектрик, увеличивается.По мере увеличения накопленного заряда электрическое поле на диэлектрике увеличивается. В этой ситуации возникает напряжение, которое увеличивается пропорционально заряду. Отношение величины заряда на каждой пластине к электрическому потенциалу (напряжению) между пластинами называется емкостью. Энергия, запасенная в конденсаторе, — это энергия, необходимая для перемещения накопленного заряда через потенциал конденсатора. Емкость устройства в основном зависит от геометрии пластины и природы диэлектрика.Он прямо пропорционален «диэлектрической проницаемости» (таблица I) и обратно пропорционален толщине диэлектрика. См. Приложение для более подробной информации. По мере увеличения заряда и напряжения на данном конденсаторе в какой-то момент диэлектрик больше не сможет изолировать заряды друг от друга. Затем диэлектрик демонстрирует пробой диэлектрика или высокую проводимость в некоторых областях, что приводит к снижению накопленной энергии и заряда, генерируя внутреннее тепло.Это явление, нежелательное для большинства конденсаторных применений, возникает при напряжении пробоя конденсатора. В таких ситуациях может произойти повреждение или разрушение конденсатора. Обычно характеристики пробоя диэлектриков выражаются как максимальная напряженность поля, которая в основном представляет собой отношение приложенного напряжения к толщине диэлектрика. Массовая плотность энергии конденсатора — это отношение количества энергии, которое конденсатор может хранить при рабочем напряжении, к массе конденсатора, включая корпус.Рабочее напряжение конденсатора определяется как максимальное номинальное напряжение для данного приложения. Рабочее напряжение обычно меньше напряжения пробоя. Исключение из этого правила может иметь место, если переходное пиковое напряжение может превышать установившееся напряжение пробоя. Объемная плотность энергии конденсатора определяется как отношение запасенной энергии к объему конденсатора, включая корпус. Первый конденсатор был изобретен в 1745 году Питером ван Мушенбруком, физиком и математиком из Лейдена, Нидерланды (и назвал его Leyden jar ).Это была простая стеклянная банка, покрытая изнутри и снаружи металлической фольгой. Уильям Дубилье изобрел слюдяной конденсатор примерно в 1910 году. Конденсаторы электролитические Электролитические конденсаторы — это конденсаторы, в которых одна или обе «пластины» представляют собой неметаллическое проводящее вещество, электролит. Электролиты имеют более низкую проводимость, чем металлы, поэтому используются в конденсаторах только тогда, когда металлическая пластина нецелесообразна, например, когда поверхность диэлектрика является хрупкой или шероховатой по форме или когда требуется ионный ток для поддержания диэлектрической целостности.Диэлектрический материал электролитических конденсаторов производится из самого анодного металла в процессе так называемого формования (или процесса анодирования и . Во время этого процесса ток течет от анодного металла, который должен быть вентильным металлом, таким как алюминий, ниобий, тантал, титан или кремний — через проводящую ванну со специальным формирующим электролитом к катоду ванны. Протекание тока заставляет изолирующий оксид металла вырастать из и в поверхность анода. Толщина, структура и состав анода. изоляционный слой определяет его электрическую прочность.Приложенный потенциал между анодным металлом и катодом ванны должен быть выше напряжения пробоя оксида, прежде чем будет протекать значительный ток. По мере протекания тока прочность пробоя (сформированное напряжение) и толщина оксида увеличиваются. См. Рисунок 2 для сравнения электростатических (классических) и электролитических конденсаторов. «Электролитические конденсаторы» сильно отличаются от «электрохимических конденсаторов » (также называемых ультраконденсаторами), работа которых основана на емкости двойного электрического слоя, и не следует путать с ними. Рис. 2. Сравнение электростатических и электролитических конденсаторов. Реакцию электролиза исследовал Майкл Фарадей в 1700-х годах. Было обнаружено, что существует взаимосвязь между потоком заряда через систему и количеством продукта (в данном случае оксида металла). Фарадей отметил взаимосвязь между грамм-эквивалентами продукта и переносом заряда для всех идеальных (стехиометрических) реакций электролиза в том, что теперь известно как закон Фарадея.Отклонения от этого соотношения существуют для процесса образования оксидов на анодных металлах, поскольку некоторые оксиды могут быть выращены химическим и термическим способом для снижения потребности в электроэнергии в процессе формирования, что может стоить несколько долларов за килограмм произведенного анода. Также во время процесса образования могут иметь место некоторые нежелательные побочные реакции, которые не способствуют образованию оксидов. В процессе формирования хрупкий оксид металла нарастает на металлической фольге, которая обычно имеет шероховатую форму.Таким образом, анодный металл находится в тесном контакте с одной стороной оксидного диэлектрика. Электролит используется для обеспечения контакта между другой стороной оксида и катодной пластиной. Преимуществом электролитических конденсаторов является высокая емкость на единицу объема и на единицу стоимости. Высокая емкость возникает из-за высокой диэлектрической проницаемости, высокой напряженности поля пробоя, шероховатости поверхности и чрезвычайно малой однородной толщины анодно сформированного металлического оксида. Причина, по которой электролитические конденсаторы имеют такое равномерное напряжение диэлектрика и могут работать при такой высокой напряженности поля, в пределах 80% от их пробивной силы, порядка 1000 вольт / мкм, объясняется двумя причинами.Во-первых, исходный процесс анодирования («формирование») выполняется при фиксированном напряжении, и диэлектрик повсюду растет до любой толщины, необходимой для поддержания этого напряжения. Во-вторых, как только фольга находится в конденсаторе, конденсатор «заполняет» электролит продолжает работу по восстановлению исходного электролита, восстанавливая и локально утолщая диэлектрик по мере необходимости. Этот процесс восстановления управляется постоянным током утечки конденсатора, который возникает всякий раз, когда на конденсатор подается постоянное напряжение, то есть всякий раз, когда он находится в работе.На самом деле, электролитические конденсаторы часто служат дольше при непрерывном щадящем использовании, а не при кратковременной подзарядке каждый год или десятилетие. Недостатком электролитических конденсаторов являются неидеальные характеристики потерь, которые возникают из-за свойств полупроводникового оксида, эффекты двойного слоя из области зарядового пространства электролита-оксида, резистивные потери из-за высокого удельного сопротивления электролита, спад частотной характеристики из-за шероховатости поверхностного оксида и конечный срок службы конденсатора из-за пробоя и деградации электролита.Некоторые из этих соображений будут рассмотрены ниже более подробно с точки зрения алюминиевого электролитического конденсатора. Кроме того, диэлектрик из анодного оксида полярен, как и электролитические конденсаторы (в отличие от классических электростатических конденсаторов), то есть конденсаторы должны быть подключены с соблюдением полярности, как указано на маркировке. Соединение с обратным напряжением легко вводит ионы водорода через оксид, вызывая высокую электропроводность, нагрев и восстановление анодной оксидной пленки.Неполярные (или биполярные) устройства могут быть изготовлены с использованием двух анодов вместо анода и катода, или можно соединить положительные или отрицательные стороны двух идентичных устройств вместе, тогда два других терминала будут образовывать неполярный устройство. В большинстве электролитических конденсаторов используются алюминиевые электроды, но также используются тантал и ниобий. Алюминиевый анод самый дешевый — 0,04 доллара за грамм. Таким образом, он используется в больших (даже больше одного литра!) И маленьких (крошечных поверхностных) конденсаторах.Танталовый анодный материал стоит более 2,00 долларов за грамм, но обеспечивает высокую стабильность, большую емкость (в четыре раза больше, чем у алюминия), более низкое сопротивление (до 90% ниже) на размер. Он доступен в виде небольших блоков (обычно менее 5 см 3 ) и для поверхностного монтажа. Анодный порошок ниобия стоит менее 1 доллара за грамм, намного дешевле и доступнее, чем тантал, но все же намного дороже, чем алюминий. Емкость намного больше, чем у алюминия, почти у тантала. Это гораздо более новая технология, чем тантал. H.O. Зигмунд изобрел электролитический конденсатор в 1921 году. Юлиус Лилиенфельд много сделал для развития электролитической теории в 1920-х и 1930-х годах. Cornell Dubilier в то время была крупнейшей в мире компанией по производству конденсаторов и много сделала для развития технологий травления и анодирования. Детали конструкции мокрого алюминиевого электролитического конденсатора Производственный процесс Рис. 3. Конструкция электролитического конденсатора. Алюминиевые электролитические конденсаторы состоят из анодной и катодной пластин, разделенных абсорбирующей прокладкой. Как показано на Рисунке 3, к анодной и катодной пластинам прикреплены металлические язычки, и сборка намотана в цилиндрическую секцию. Выступы приварены к алюминиевым клеммам, установленным в коллекторе (вверху). Узел секция-коллектор погружается в ванну с горячим конденсаторным электролитом (существенно отличающимся от электролита процесса образования). В так называемом процессе пропитки к электролиту и секциям прикладывается вакуум, в результате чего электролит втягивается в секции, тщательно смачивая секции.Секции помещаются в алюминиевые банки, а коллекторы привариваются к банкам. Конденсаторные блоки медленно доводятся до максимального номинального напряжения при максимальной номинальной температуре во время процесса старения и . В процессе старения оксид растет на участках анодной фольги, которые имеют недостаточный оксидный барьер, например на краях щелей и местах, которые были потрескались во время операции наматывания. Проверки и испытания происходят на нескольких этапах производственного процесса. Анод Рис.4. Вид сбоку на растровом электронном микроскопе листа туннелей оксида после растворения окружающего алюминия (вверху) и более близкий вид некоторых туннелей оксида (внизу). Анод может быть изготовлен из алюминия различной чистоты, но для высоковольтных алюминиевых электролитических конденсаторов с высокой плотностью энергии анод обычно состоит из алюминиевой фольги высокой кубичности с чистотой 99,99% и толщиной около 100 микрометров. Термин «высокая кубичность» относится к структуре зерен алюминия с прямоугольной ориентацией, которая намеренно создается в фольге.Анодная фольга обычно изготавливается в рулонах массой 270 кг и шириной 48 см. Первый производственный процесс, которому подвергается эта фольга, называется травлением, которое электрохимически делает поверхность фольги шероховатой, в результате чего полые туннели врастают в алюминий. Благодаря прямоугольной ориентации зерен алюминия протравленные туннели образуются вдоль параллельных путей, которые в основном перпендикулярны верхней поверхности алюминия. Процесс травления значительно увеличивает соотношение микроскопической и макроскопической площади поверхности, называемое «усилением фольги», которое может достигать шестидесяти для высоковольтной алюминиевой электролитической анодной фольги и даже выше для низковольтной фольги.Фольга получается в результате травления значительно легче, чем в процессе травления. Следующий процесс, который проходит рулон фольги, называется процессом формирования. Оксид алюминия выращивают на и в полые туннели, которые были вытравлены в алюминии в процессе травления. На рис. 4 показан вид сбоку листа туннелей из оксида после растворения окружающего алюминия, полученный с помощью сканирующего электронного микроскопа, и более близкое изображение некоторых туннелей из оксида. Обратите внимание, что внутренний диаметр этого оксидного туннеля на 550 вольт составляет около четверти микрометра, а толщина стенки — чуть больше половины микрометра.Обычно отношение толщины оксида к напряжению образования оксида составляет около 1,0 нанометра на вольт. Это соотношение несколько меняется в зависимости от структуры оксида. В зависимости от состава пластового электролита, плотности тока и других производственных параметров структура оксида алюминия может быть аморфной, кристаллической, водной или некоторой комбинацией этих структур. Рис. 5. Поперечное сечение анодного туннеля до (слева) и после (справа) процесса образования оксида. Для достижения хороших результатов процессы травления и формовки должны быть совместимы. На рис. 5 показано поперечное сечение туннеля в анодном алюминии до и после формовки. Обратите внимание, что взаимосвязь между диаметром протравленного туннеля и напряжением (толщиной) пласта очень важна. Поскольку оксид растет как внутрь, так и наружу в туннеле, если диаметр травления слишком мал, туннель может забиться или полностью заполниться оксидом алюминия во время процесса формирования, тем самым внося небольшой вклад в емкость фольги, поскольку электролит не может контактировать с внутри туннеля.Если диаметр туннеля слишком велик, оптимальная емкость не может быть реализована из-за нерационального использования пространства. Комбинация процессов травления и формования определяет напряжение формирования «V f » и коэффициент усиления полученной фольги. Коэффициент усиления определяется как емкость на единицу макроскопической площади полученной фольги, деленная на емкость на единицу площади нетравленой фольги с тем же напряжением формирования. В алюминиевых электролитических конденсаторах с высокой плотностью энергии используется фольга с высоким коэффициентом усиления.Здесь можно отметить, что напряженность поля пробоя 1 В на 1,0 нм намного выше, чем для полимерных пленок. Значение «k» 8,5 для оксида алюминия также примерно в три раза больше, чем для большинства пленочных диэлектриков (см. Таблицу I). Однако оксид алюминия в несколько раз плотнее полимерных пленок. Катод Катодная алюминиевая фольга обычно тоньше анода и должна иметь гораздо более высокую емкость, чем анод, поскольку емкость катода появляется последовательно с емкостью анода, чтобы получить общую емкость (см. Приложение).Для данной емкости анода максимальная общая емкость возникает, когда емкость катода настолько велика, насколько это возможно. Высокая катодная емкость требует очень низкого напряжения формирования катода. Обычно катод вообще не образуется, но всегда есть тонкий слой (около 2–3 нм) закиси водорода на поверхности алюминия, если он не пассивирован, а двойной электрический слой также имеет большую емкость. Тонкий слой закиси водорода легко образуется на алюминии при контакте с атмосферным воздухом.Пассивация катодной фольги титаном была предпринята в последние годы, чтобы предложить катод с емкостью, приближающейся к 200 мкФ / см 2 . Такая высокая катодная емкость необходима только для низковольтных конденсаторов с анодами с высоким коэффициентом усиления. Обычно емкость катода в пятьдесят раз превышает емкость анода. В этом случае общая емкость всего на 2% меньше емкости анода. Для разрядного конденсатора заряд на анодной пластине должен нейтрализоваться противоположным зарядом на катодной пластине, что требует, чтобы катод был способен накапливать заряд, превышающий или равный заряду анода.Другими словами, произведение емкости и формирующего напряжения для катода должно быть больше, чем для анода. Это требование обычно выполняется автоматически, так как способность накапливания заряда формованной фольги максимальна при низком напряжении формирования. Для катода используется тонкая фольга с поверхностным травлением, которая дает частотную характеристику, как правило, лучше, чем у анода, и дает достаточно большую емкость, чтобы не уменьшалась общая емкость единицы. Поскольку допустимое напряжение катода обычно составляет всего около одного вольт, электролитический конденсаторный блок ограничен в своем установившемся обратном напряжении примерно до одного вольт.Было обнаружено, что в некоторых случаях переходные обратные напряжения, превышающие 100 вольт, могут появляться на конденсаторе в течение примерно одной миллисекунды без каких-либо отрицательных эффектов в течение тысяч циклов; однако неясно, каков фактический катодный потенциал в этих случаях. Известно, что увеличенное обратное напряжение в течение коротких интервалов времени, равных одной секунде, может вызвать значительный нагрев электролита и оксида анода. Ток, потребляемый во время этих обратных напряжений, может легко достигать сотен ампер постоянного тока.Электролитические конденсаторы могут быть сконструированы со сформированными катодами, чтобы обеспечить реверсирование напряжения без повреждений. Недостатками такой конструкции являются уменьшенная общая емкость, поскольку анод и катод включены последовательно; и уменьшенная плотность энергии из-за уменьшенной емкости и увеличения массы более тяжелого сформированного катода. Сепаратор Сепаратор или прокладка представляет собой абсорбирующий материал в форме рулона, который наматывают между анодом и катодом для предотвращения контакта фольги друг с другом.Прокладка обычно изготавливается из бумаги, которая может быть разных типов, плотности и толщины, в зависимости от требований к напряжению и эффективному последовательному сопротивлению. Помимо разделения анода и катода, распорка должна впитывать и удерживать электролит между пластинами. Сопротивление комбинации разделитель-электролит значительно больше, чем можно было бы объяснить ее геометрией и удельным сопротивлением абсорбированного электролита. Комбинация электролита и прокладки также влияет на частотный отклик. Электролит Основное назначение электролита — служить «пластиной» на внешней поверхности оксида анода, а также соединяться с катодной пластиной. Электролит представляет собой жидкий органический растворитель с высоким удельным сопротивлением, высокой диэлектрической проницаемостью и высокой диэлектрической прочностью с одним или несколькими растворенными ионно-проводящими растворенными веществами. Второстепенное назначение электролита состоит в том, чтобы отремонтировать, залечить или изолировать участки дефектов в анодном оксиде алюминия во время приложения напряжения между анодом и катодом. Вкладки Выступы представляют собой алюминиевые полосы, которые контактируют между токопроводящими пластинами и соединительными клеммами в коллекторе. К каждой пластине может быть подключено несколько язычков. Каждый выступ либо сварен методом холодной сварки, либо приклеен по всей ширине анодной и катодной фольги. Пути вывода обычно проходят от секции конденсатора к выводам таким образом, чтобы поддерживать низкую индуктивность и предотвращать контакт выводов противоположной полярности друг с другом или корпусом во время движения и вибрации конденсаторного блока.Выступы приварены точечной сваркой к нижней стороне клемм в сборке коллектора. Материал вкладки не травится, а формируется под высоким напряжением перед сборкой в ​​конденсатор. Оптимальным размещением язычка вдоль фольги считается такое размещение, которое сводит к минимуму потери мощности из-за сопротивления металлической фольги. Этот оптимум приводит к равному расстоянию от каждого выступа до ближайшего к нему, и половина расстояния между язычками обеспечивается между крайними выступами и концами фольги. Для высоковольтных конденсаторов сопротивление выводов и сопротивление металлической фольги довольно мало по сравнению с сопротивлением оксида и электролита. Пакет Рис. 6. Схема блока конденсаторов. Рис. 7. Некоторые электролитические конденсаторы. Корпус, в который помещается конденсаторная секция, изготовлен из алюминия из сплава 1100, чистота которого составляет около 99% (см. Рисунок 6). Для конденсаторов диаметром от 25 до 50 мм (от одного до двух дюймов) толщина стенки равна 0.022 дюйма. Прокладка из бутилкаучука помещается на верхнюю часть коллектора перед операцией прядения, при этом отверстие корпуса загибается и вдавливается в прокладку, образуя эффективное уплотнение системы. Корпус имеет тот же потенциал, что и электролит и катод во время работы конденсатора, поэтому при последовательном подключении электролитических конденсаторов необходимо соблюдать осторожность, чтобы изолировать корпуса друг от друга. Хотя корпус алюминиевого электролитического конденсатора находится под потенциалом катода, его нельзя использовать для отрицательного электрического соединения из-за высокого удельного сопротивления электролита и длинного эффективного пути от катода до емкости.Если бы у электролита было гораздо более низкое удельное сопротивление, можно было бы отказаться от катода и использовать вместо него баллончик. В конденсаторах предусмотрен предохранительный клапан, чтобы конденсатор мог контролируемым образом сбрасывать избыточное давление. Это явление называется сбросом и считается режимом отказа. Вентиляционное отверстие может быть установлено в виде резиновой заглушки в коллекторе или в виде штампованной прорези в стенке банки. Давление, при котором конденсатор выпускается, предсказуемо и обычно рассчитано на давление около семи атмосфер или даже выше.Допустимое давление обычно выше для конденсаторов небольшой емкости. После вентиляции конденсатора электролит может испариться, пока емкость не уменьшится. Некоторые типичные электролитические конденсаторы показаны на Рисунке 7. Применение электролитических конденсаторов Рис. 8. Ежемесячный мировой рынок конденсаторов. Есть много практических, повседневных применений алюминиевых электролитических конденсаторов.Наиболее важные приложения включают фильтрующие конденсаторы для выходов источника питания, схемы блокировки и обхода постоянного тока, пуск двигателя и другие неполяризованные конденсаторы, аудиоприложения, конденсаторы разряда энергии, конденсаторы фотовспышки и стробоскопа. Для каждого из них требуются совершенно разные характеристики, которые подробно описаны в Приложении. Общее использование конденсаторов во всем мире составляет примерно один триллион единиц в год. Общая рыночная стоимость составляет примерно 17 миллиардов долларов в год.На рисунке 8 показаны месячные колебания общего рынка конденсаторов за последние несколько лет. На Рисунке 9 представлены годовые рынки алюминиевых и танталовых электролитических конденсаторов, которые составляют более 10% от общего использования. Рис. 9. Мировой рынок электролитических конденсаторов: алюминий (слева), тантал (справа). Приложение Отношение величины заряда «Q» на каждой пластине к электрическому потенциалу или напряжению «V» между пластинами известно как емкость «C». [1] Емкость устройства в основном зависит от геометрии пластины и природы диэлектрика . Для двух параллельных поверхностей, каждая из которых имеет площадь «А», разделенную расстоянием «d» с диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью «k»: [2] где «E o » — диэлектрическая проницаемость вакуума (8,85 × 10 -12 Ф / метр). Относительная диэлектрическая проницаемость «k» материала описывает его поляризуемость. Как видно на рисунке 1, когда заряды + Q и -Q устанавливаются на анодной и катодной пластинах, соответственно, поверхностные заряды + Q ‘и -Q’ на диэлектрике индуцируются в соответствии со следующим соотношением, которое определяет «k» для материал: Q ‘= Q × (1-k). Катодная емкость «C c » включена последовательно с анодной емкостью «C a », чтобы получить общую емкость «C» в соответствии с соотношением: [3] Или переставив: [4] Следовательно, в последовательно соединенных конденсаторах преобладает конденсатор более низкого номинала. Использование и применение электролитического конденсатора Фильтр выхода блока питания Когда синусоидальное переменное напряжение выпрямляется, создается полусинусоидальная форма волны.Эта форма волны обычно преобразуется в постоянное значение постоянного тока с помощью конденсатора, который заряжается до пикового значения полусинусоидального напряжения, а затем подает ток на нагрузку при слегка понижающемся напряжении, пока следующий полусинусоидальный пик не восстановит максимум. напряжение на конденсатор. Небольшое изменение напряжения конденсатора известно как напряжение пульсации, а ток, идущий к конденсатору и от него, называется током пульсации. Чтобы поддерживать стабильный выход постоянного тока и минимизировать пульсации напряжения, емкость конденсатора выбирается достаточно большой по сравнению с сопротивлением нагрузки.Более стабильное напряжение требует более высокого значения емкости и более дорогостоящего конденсатора. Для приложений, в которых стабильность напряжения не очень важна, часто выбирают меньшую емкость. Затем следует учитывать ток пульсаций, поскольку слишком малая емкость может иметь большое эффективное последовательное сопротивление (ESR) и может иметь тенденцию к перегреву. Максимальные номинальные значения пульсирующего тока указываются производителями конденсаторов, и эти номиналы выводятся из максимально допустимой рабочей температуры конденсатора, а также размера, массы, материалов конструкции и ESR конденсатора.Номинальный ток пульсации в алюминиевых электролитических конденсаторах может достигать 50 ампер (среднеквадратичное значение). Блокировка и байпас по постоянному току Частотная характеристика конденсатора такова, что он выглядит как разомкнутая цепь для постоянного постоянного напряжения и виртуальное короткое замыкание на высокие частоты. Таким образом, конденсатор может использоваться для маршрутизации сигналов в соответствии с их частотным составом. Когда сигнал, содержащий как компоненты постоянного, так и переменного тока, отправляется на трансформатор для усиления части переменного тока, часто конденсатор используется последовательно с трансформатором для блокировки компонента постоянного тока, что может вызвать нагрев и искажение сигнала, если он достигнет трансформатора.Для такого применения необходимо проверить линейность частотной характеристики конденсатора, чтобы гарантировать высокую точность воспроизведения, а величина тока конденсатора должна быть ниже, чем его номинальный пульсирующий ток. Пуск двигателя и прочее неполярное Пусковой момент двигателей переменного тока обеспечивается пусковым конденсатором двигателя, часто биполярным алюминиевым электролитическим конденсатором с низким ESR. Такой конденсатор предназначен для работы в сети переменного напряжения, сильноточной, непродолжительной работы. Конденсаторы для запуска двигателя имеют самый низкий коэффициент рассеяния среди алюминиевых электролитов, всего 2% при 120 Гц.Для достижения такого низкого ESR используется фольга с низким коэффициентом усиления. Корпуса часто изготавливаются из пластика, чтобы обеспечить электрическую изоляцию от потенциала электролита, который следует за приложенным напряжением. Плотность энергии довольно низкая, обычно 50 Дж / кг или меньше. Даже с такими низкими потерями конденсаторы для запуска двигателей быстро нагреваются в процессе их применения и рекомендуются только для малых рабочих циклов, таких как одна секунда включения, одна минута отключения. Аудиоприложения Неполярные алюминиевые электролиты номиналом 50 и 100 вольт часто используются в пассивных кроссоверах для коммерческих и бытовых громкоговорителей, где сигналы содержат компоненты среднего переменного напряжения (около 30 вольт пикового напряжения) с небольшим содержанием постоянного напряжения или без него.Амплитудно-частотная характеристика и виброустойчивость этих конденсаторов — важнейшие критерии. Электролитические конденсаторы имеют положительный коэффициент емкости по напряжению, что приводит к некоторым гармоническим искажениям. Автомобильная аудиосистема (усиление шины): одно идеальное применение — это большие многокиловаттные приложения для повышения жесткости шины автомобильного аудиоусилителя, где шина 13 В постоянного тока может иметь пик в сотни ампер при каждом ударе бас-барабана или каждом ударе или ударе бас-гитары. Это может привести к падению напряжения автомобильного аккумулятора на несколько вольт, затемнению фар в ритме музыки и сокращению срока службы генератора и аккумулятора, не говоря уже об ухудшении искажений звука и уровней выходного сигнала.Решение — использовать электролитические конденсаторы рядом с усилителями. Эти конденсаторы специального назначения имеют номиналы от 0,5 до 2,0 фарад при 15 В постоянного тока. Эти конденсаторы обычно имеют последовательное сопротивление около одного миллиом, поэтому они довольно эффективны для повышения напряжения аккумуляторной батареи автомобиля при использовании на уровне около 1 фарада на киловатт. Конденсаторы будущего, вероятно, будут иметь номинал 0,2-0,5 Ф при 60 В постоянного тока для более высоких напряжений батареи. Приложения для разряда энергии Обычное применение разряда энергии для алюминиевых электролитических конденсаторов — это фотовспышка для фотографии, как профессиональной, так и потребительской.Эти конденсаторы теперь все больше и больше используются для разряда лазерных фонарей. Военные интересуются алюминиевыми электролитами для низковольтных импульсов лазерных радаров с диодной накачкой. В данной статье алюминиевые конденсаторы для электролитического разряда подразделяются на три режима напряжения: 1. Высокое напряжение — номинальное напряжение больше или равно 350 вольт. 2. Среднее напряжение — менее 350 вольт, но больше или равно 150 вольт. 3. Низкое напряжение — менее 150 вольт. Приложения Photoflash Конденсаторы фотовспышки, используемые во встроенных потребительских камерах, обычно находятся в диапазоне 100 мкФ 360 В и могут достигать нескольких сотен микрофарад в отдельных блоках на верхней панели камеры. Эти небольшие блоки часто состоят из двух пористых анодов, расположенных рядом. Типичная плотность энергии составляет 1,5 Дж / грамм или 2 Дж / см 3 . Профессиональные фотографы используют батареи электролитических конденсаторов в портативных, но крупных устройствах весом около 10 кг. Они содержат многие тысячи микрофарад, обычно в переключаемых банках с вентиляторным охлаждением.Обычно это конденсаторы с винтовыми зажимами, конструкция которых очень похожа на обычные фильтрующие конденсаторы. Конденсаторы Photoflash могут использоваться со средней частотой до восьми вспышек в минуту, в зависимости от размера, энергии и управления температурой. Четыре вспышки в минуту более типичны. Фотовспышка часто вызывает адиабатическое повышение внутренней температуры примерно на 0,05 o C (0,09 o F) за одну вспышку. Это приводит к выводу, что для значительного нагрева конденсатора необходимо несколько сотен вспышек.Следовательно, в первые полчаса можно было применять 10 вспышек в минуту без ограничений. Типичный срок службы конденсатора вспышки составляет от 50 000 до 200 000 вспышек. Долговечные конструкции доступны для одного миллиона и более вспышек. Применение стробоскопа Конденсаторы стробоскопа используются с высокой частотой повторения. В случае низковольтных устройств частота повторения может быть очень высокой, достаточно высокой для использования в стробоскопах для вечеринок и в автомобильных тахометрах. Высоковольтные блоки обычно не могут работать в режиме полного заряда-разряда, превышающего частоту повторения 2 или 3 Гц или частоту повторения.В высоковольтных алюминиевых электролитических стробоскопических конденсаторах используется структура диэлектрика из оксида алюминия , отличная от их аналогов с фотовспышкой и фильтром. Конденсаторы строба используют аморфный оксид алюминия, а не обычный кристаллический оксид алюминия. Это достигается в процессе формования при анодировании фольги. Используются различная предварительная обработка, температура процесса и плотность тока, а также различный химический состав электролита. К сожалению, полученный диэлектрик намного толще, чем его кристаллический аналог.По этой причине стробоскопическая фольга имеет большие туннели, а стробоскопические конденсаторы страдают от плотности энергии и стоимости примерно в четыре раза по сравнению с их кристаллическими собратьями. Но их частота повторения может дать улучшение в двадцать раз, а продолжительность их жизни может приближаться к 1000 раз больше, чем количество устойчивых циклов заряда-разряда. Когда требуется только частичный разряд, такой как разряд от 400 В до 250 В, вместо полного разряда, могут быть разработаны гибридные конструкции конденсаторов, которые обеспечивают высокую частоту повторения, длительный срок службы, без потери стоимости и размера, требуемых аморфной фольгой. . При использовании конденсатора с нормальным разрядом конденсатор заряжается медленно, быстро разряжается и претерпевает определенное количество циклов разряда в единицу времени. alexxlab Посмотреть все записи автора alexxlab → Вам также может понравиться Дэс в помещении: Установка электростанций в помещении 03.06.202113.11.2020 Трансформатор напряжения измерительный: Трансформатор напряжения , назначение и принцип действия 21.03.201827.09.2020 Эл баланс: Метод электронного баланса 13.01.197010.06.2021 Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт