Конденсаторы электротехника: Конденсаторы в электротехнике | Техника и Программы

Конденсаторы электротехника: Конденсаторы в электротехнике | Техника и Программы

Posted on

Содержание

Конденсаторы в электротехнике | Техника и Программы

Своеобразная область применения изоляционных материалов— это конденсаторы. Толща изоляции, находящаяся между двумя металлическими обкладками, — это резервуар, в котором накапливается запас электрической энергии.

В разных схемах конденсаторы работают по-разному. В высокочастотных установках — в радиопередатчиках, в установках для нагрева — энергия подается в конденсатор на стотысячные или миллионные доли секунды, а затем энергия нацело уходит из конденсатора. Конденсаторы, предназначенные работать в таком режиме быстрого накопления и быстрой же отдачи энергии, называются контурными. Они составляют часть колебательного высокочастотного контура. Контурные конденсаторы должны иметь самую высококачественную изоляцию. В них часто применяется керамика — например, одна из разновидностей фарфора — стеатит. Диэлектрическая постоянная этого материала около 6. Стеатитовые конденсаторы прекрасно работают на частотах от 100 тыс.

до 1 млн. гц.

Другой распространенный для контурных конденсаторов керамический материал составляется из двуокиси титана. Его диэлектрическая постоянная бывает 50—60, т. е. в 10 раз больше, нежели у стеатита. Титановые конденсаторы выгодно использовать и на более низких частотах (до 10 тыс. гц).

В последние годы ведутся исследования конденсаторов, изоляция которых имеет диэлектрическую постоянную в несколько тысяч. Такими свойствами обладает виннокаменная соль, титанат бария. В толще материала с такой диэлектрической постоянной можно накапливать большие количества электрической энергии. Но эти материалы очень капризны, с изменением температуры их диэлектрическая постоянная также сильно меняется. Диэлектрическая постоянная меняется и с величиной приложенного к конденсатору напряжения. Форма кривой напряжения сильно искажается. Иногда это свойство может иметь полезные применения. Колебательный контур с таким конденсатором может умножать частоту подводимого к нему тока. Но часто искажения кривых токов и напряжений недопустимы.

Будущее покажет, найдут ли эти конденсаторы широкое промышленное применение.

Во многих установках напряжение на конденсаторах почти совершенно постоянное. Назначение этих конденсаторов — тодько пропустить через себя небольшую переменную составляющую тока. В таком режиме работают фильтровые конденсаторы, сглаживающие выпрямленный ток, и разделительные конденсаторы в генераторах с электронными лампами. Электрическая энергия в этих конденсаторах находится на долгосрочном хранении. К изоляции этих конденсаторов можно предъязлять менее строгие требования, нежели к изоляции контурных конденсаторов.

В фильтровых и разделительных конденсаторах часто применяют изоляцию из бумаги, пропитанной парафином или маслом. Обкладку делают из алюминиевой фольги. Если к такому конденсатору приложить слишком высокое напряжение, бумажная изоляция пробивается и конденсатор выходит из строя.

Интересная новинка последних лет — конденсаторы с цинковыми обкладками. Цинк испаряют и пары его оседают тончайшим слоем на бумагу.

Получаются непробиваемые конденсаторы. Если к ним приложить слишком высокое напряжение, то в каком то месте слой бумаги прожжет искра. Но эта же искра разовьет столько тепла, что вызовет испарение цинковых обкладок. Цинк — металл с низкой температурой кипения. Когда цинк испарится вокруг пробитого места, пробой прекратится. Конденсатор с цинковыми обкладками — это самозалечивающийся конденсатор.

Для боевых самолетов делают бензобаки, обложенные слоем резины. Когда такой бак пронизывает пуля, то отверстия затягиваются резино-вым слоем. Есть нечто общее между этими самозалечивающимися баками и конденсаторами с цинковыми обкладками.

Источник: Электричество работает Г.И.Бабат 1950-600M

Тест по дисциплине: Электротехника и электроника: «Электрическая емкость конденсатора»

Электрическая емкость конденсатора.

  1. Если электрический заряд каждой из обкладок конденсатора увеличить в n раз, то его электроемкость:

1) увеличится в n раз; 2) уменьшится в n раз;

3) не изменится; 4) увеличится в раз.

2. Как изменится электроемкость конденсатора, если электрический заряд на его обкладках уменьшить в n раз при неизменном положении пластин?

1) увеличится в n раз; 2) уменьшится в n раз;

3) не изменится; 4) увеличится в раз.

3. Как изменится электрическая емкость плоского конденсатора, если площадь пластин увеличить в 3 раза?

1) не изменится; 2) увеличится в 3 раза;

3) уменьшится в 3 раза; 4) среди ответов 1-3 нет правильного.

4. Электрический заряд на одной пластине конденсатора равен +2 Кл, на другой равен-2 Кл. Напряжение между пластинами равно 5000 В. Чему равна электрическая емкость конденсатора?

1) 0 Ф; 2) 0,0004 Ф; 3) 0,0008 Ф; 4) 2500 Ф.

5. Плоский конденсатор подключен к источнику постоянного тока. Как изменится заряд на пластинах конденсатора, если, не отключая конденсатор от источника, медленно раздвинуть пластины на расстояние, в 2 раза превышающее прежнее?

1) уменьшится в 2 раза; 2) увеличится в 2 раза;

3) не изменится; 4) зависит от скорости раздвижения. .

Электрическая емкость конденсатора.

2

3

4

5

3

3

2

2

1

Бакалавриат — Электроэнергетика и электротехника

Область профессиональной деятельности:

  • совокупность технических средств, способов и методов осуществления процессов: производства, передачи, распределения, преобразования, применения и управления потоками электрической энергии;
  • разработка, изготовление и контроль качества элементов, аппаратов, устройств, систем и их компонентов, реализующих вышеперечисленные процессы.

Объекты профессиональной деятельности:

для электроэнергетики:

  • электрические станции и подстанции;
  • электроэнергетические системы и сети;
  • системы электроснабжения городов, промышленных предприятий, сельского хозяйства, транспортных систем и их объектов;
  • установки высокого напряжения различного назначения, электроизоляционные материалы, конструкции и средства их диагностики, системы защиты от молнии и перенапряжений, средства обеспечения электромагнитной совместимости оборудования, высоковольтные электротехнологии;
  • релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем;
  • энергетические установки, электростанции и комплексы на базе возобновляемых источников энергии;

для электротехники:

  • электрические машины, трансформаторы, электромеханические комплексы и системы, включая их управление и регулирование;
  • электрические и электронные аппараты, комплексы и системы электромеханических и электронных аппаратов, автоматические устройства и системы управления потоками энергии;
  • электромагнитные системы и устройства механизмов, технологических установок и электротехнических изделий, первичных преобразователей систем измерений, контроля и управления производственными процессами;
  • электрическая изоляция электроэнергетических и электротехнических устройств, кабельные изделия и провода, электрические конденсаторы, материалы и системы электрической изоляции электрических машин, трансформаторов, кабелей, электрических конденсаторов;
  • электрический привод и автоматика механизмов и технологических комплексов в различных отраслях;
  • электротехнологические установки и процессы, установки и приборы электронагрева;
  • различные виды электрического транспорта, автоматизированные системы его управления и средства обеспечения оптимального функционирования транспортных систем;
  • элементы и системы электрического оборудования автомобилей и тракторов;
  • судовые автоматизированные электроэнергетические системы, преобразовательные устройства, электроприводы энергетических, технологических и вспомогательных установок, их систем автоматизации, контроля и диагностики;
  • электроэнергетические системы, преобразовательные устройства и электроприводы энергетических, технологических и вспомогательных установок, их системы автоматизации, контроля и диагностики на летательных аппаратах;
  • электрическое хозяйство и сети предприятий, организаций и учреждений; электрооборудование низкого и высокого напряжения;
  • потенциально опасные технологические процессы и производства;
  • методы и средства защиты человека, промышленных объектов и среды обитания от антропогенного воздействия;
  • персонал.

Что такое конденсатор и как он работает – Altium Universe

Что такое конденсатор и как он работает.

Конденсатор — это пассивный электронный компонент с постоянным или переменным значением ёмкости, служащий для накопления заряда электрического тока и передачи его другим элементам в электроцепи. В отличие от аккумулятора, который, фактически также служит для накопления и дальнейшего использования энергии, конденсатор имеет малую ёмкость, обеспечивает значительно большее количество циклов заряда и разряда без выработки своего ресурса, а также способен очень быстро отдавать накопленный заряд.

Для начала разберёмся со всеми пунктами определения. Сам термин происходит от латинского condensare — “уплотнять, сгущать, накапливать”, то есть описывает как раз процесс накопления электрического заряда. В англоязычных странах конденсатор называется capacitor, буквально “ёмкостник”, то есть акцент делается не на самом факте накопления, а на ёмкости устройства.

Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше энергии он может накопить и затем передать в цепь. Пассивность же выражается в том, что этот компонент, в отличие, например, от транзистора, не может самостоятельно генерировать или усиливать заряд.

У постоянных конденсаторов значение ёмкости изменить нельзя, но существуют и конденсаторы с изменяемой ёмкостью: переменные и подстроечные. Переменные позволяют управлять ёмкостью в процессе функционирования устройства — либо механически (изменением положения регулировочной рукояти), либо температурой. Такие конденсаторы применяются, например, в радиоприёмниках, в антенных устройствах.

Подстроечные конденсаторы не предполагают регулярного изменения ёмкости. Как видно из названия, она меняется только при подстройке цепей или аппаратуры, разовой или периодической. Подстроечные конденсаторы устроены проще, чем переменные, и предполагают лишь незначительный диапазон поправок ёмкости.

Строение

Простейший конденсатор состоит из двух металлических пластин (так называемых обкладок), разделённых диэлектриком. В качестве такого изолятора могут использоваться различные материалы — жидкие, твёрдые, газообразные. От типа диэлектрика зависит очень многое — фактически, все основные свойства конденсатора: сопротивление изоляции (то есть прохождению тока; утечки тока ведут к постепенной саморазрядке конденсатора), стабильность ёмкости, размеры, стоимость, условия работы и т.д.

Когда устройство подключается к источнику тока, на обкладках конденсатора накапливается и сохраняется заряд разной полярности (положительный на одной обкладке, отрицательный — на другой). При последующем подключении конденсатора к контуру без источника питания (или если напряжение в источнике ниже, чем напряжение в конденсаторе) происходит частичное или полное высвобождение накопленной энергии.

Чем больше площадь пластин и чем ближе друг к другу они расположены, тем больше ёмкость конденсатора. Причём обкладки совершенно не обязательно должны быть плоскими и прямоугольными (и чаще всего такими и не бывают) — они могут быть, например, цилиндрическими или сферическими.

Так, прототип современных конденсаторов, знаменитая “лейденская банка”, как раз представлял собой банку — то есть цилиндр, обклеенный внутри и снаружи листовым оловом. В металлобумажных конденсаторах обкладки из металлической фольги прокладываются бумагой, затем плотно сворачиваются в рулон, который помещается в корпус.

Ёмкость

Но какова бы ни была геометрия, зависимость не меняется — чем больше площадь обкладок и чем тоньше диэлектрический слой, тем больше ёмкость, и наоборот. Однако даже если обкладки совсем малы, а расстояние между ними достаточно велико, определённая ёмкость сохраняется. Так, например, конденсаторы небольшой ёмкости делают прямо на печатной плате, располагая две дорожки печатного монтажа напротив друг друга.

Впрочем, ёмкость (а также её стабильность, то есть способность не разряжаться) зависит и от диэлектрика. Любой материал, даже вакуум, в той или иной степени проводит электрический ток, что приводит к постепенной утечке заряда — саморазряду. Так что приходится соблюдать баланс — между ёмкостью и саморазрядкой, а также ценой, размером и другими факторами. Поэтому и существует множество типов и видов конденсаторов — используются разные диэлектрики и разные обкладки для разных, конкретных условий работы.

А что будет, если использовать конденсатор большей или меньшей ёмкости, чем требуется в данном случае? В большинстве случаев небольшое превышение ёмкости будет только на пользу. А вот использовать меньшую ёмкость не рекомендуется (как и, впрочем, сильно её превышать) — это может ухудшить работу всего устройства, да и сами конденсаторы долго не протянут.

Уточнение редактора

Основные параметры конденсаторов

Номинальная ёмкость. Именно эта цифра, показывающая способность конденсатора накапливать заряд, чаще всего указывается на его корпусе. Единица измерения — фарад, но лишь некоторые конденсаторы (ионисторы) имеют ёмкость в целых фарадах; ёмкость обычных конденсаторов исчисляется в пико-, нано- и микрофарадах.

Реальная ёмкость. Реальная ёмкость варьирует в зависимости от многих факторов и, соответственно, может довольно значительно отличаться от номинальной. Допустимое отклонение от номинала называется допуском; в зависимости от типа и сферы применения, допуск конденсатора может составлять от менее 1% до 90% (и даже выше).

Номинальное напряжение. Эта цифра также часто указывается на корпусе и показывает значения напряжения, при котором конденсатор будет работать с сохранением своих параметров, не выходя из строя в течение своего срока службы. Эксплуатационное напряжение не должно превышать номинальное, иначе произойдёт пробой — диэлектрик потеряет свои изолирующие свойства и начнёт проводить ток, то есть конденсатор перестанет выполнять свои функции.

Полярность. Большинство конденсаторов можно подключать к схеме, не беспокоясь о полярности. Но электролитические конденсаторы функционируют только при корректной полярности напряжения — в противном случае есть риск разрушения диэлектрика и взрыва корпуса (вследствие закипания электролита).

Применение

Конденсаторы востребованы во всех областях электротехники. Они могут служить в составе фильтров, подавляющих высоко- и низкочастотные помехи. Могут использоваться в импульсных схемах, где требуется их способность относительно медленно накапливать большой электрический заряд и быстро его отдавать — например, в фотовспышках. Применяются они и для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, и для хранения данных в оперативной памяти компьютера.

Конденсаторы. Емкость конденсатора. Соединение конденсаторов

Электрическая емкость. Конденсаторы

Урок 9-10

Автор Донникова Т.Н.

ГАПОУ СО «Кировградский техникум ПТС»

Накопитель заряда

Конденсатор – это устройство, предназначенное для накопления заряда и энергии электрического поля.

Конденсатор состоит: двух металлических проводников (обкладок) разделенных диэлектриком

Конденсатор

Толщина диэлектрика должна быть небольшой по сравнению с размерами обкладок.

Диэлектрик

Обкладки

Конденсатор

 

 

 

 

 

Для одного и того же конденсатора

Электроёмкость

Электроёмкость обозначается буквой С

 

 

Типичная электроёмкость конденсатора:

 

 

 

 

Майкл Фарадей

1791 — 1867

Зарядка конденсатора

При подключении к источнику

постоянного напряжения происходит зарядка конденсатора, свободные электроны пластины, соединенной с положительным полюсом источника, переходят через источник на пластину,

соединенную с его отрицательным полюсом. Этот процесс закончится, когда разность потенциалов между пластинами окажется равной напряжению между зажимами источника. В результате одна пластина конденсатора получает заряд +Q, а другая — Q.

Изображение конденсаторов в электрической цепи

S – площадь каждой из обкладок,

d – расстояние между ними,

ε – диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками.

ε 0 = 8,85 . 10 -12 Ф/м – электрическая постоянная

Решить задачу:

1.Определить площадь обкладки конденсатора, расстояние между обкладками которого 0,2 мм, если его емкость 0,1 мкФ, а диэлектрическая проницаемость материала 50.

2. Как измениться емкость конденсатора если уменьшить расстояние между обкладками в 4 раза.

3. Осуществит перевод 0,00000026Ф ——нФ

Энергия заряженного конденсатора

Конденсатор разряжается

По лампе течет кратковременный ток

Решить задачу:

4.Определить энергию конденсатора емкостью С=10мкФ при напряжении на обкладках 100В.

Последовательное соединение

Отрицательная обкладка 1-го конденсатора соединяется с положительной обкладкой 2-го конденсатора

С 2

С 1

+|q|

-|q|

+|q|

-|q|

Заряды обоих конденсаторов одинаковы

Параллельное соединение конденсаторов

Решить задачу:

  • Дано смешанное соединение конденсаторов. Емкость всех конденсаторов одинаковая и равна 2 мкФ. Нужно рассчитать общую емкость.

Типы конденсаторов

Бумажный конденсатор

1 — металлическая фольга

2- бумага пропитанная парафином

Типы конденсаторов

Оксидно -электролитический конденсатор

Тонкая оксидная пленка – диэлектрик нанесена на металлическую пластину – обкладку, вторая обкладка электролит контактирующий с металлическим корпусом.

Типы конденсаторов

Керамический конденсатор

Типы конденсаторов

Конденсатор переменной емкости

Использование конденсаторов

  • Конденсаторы могут долго копить, но быстро отдавать накопленную энергию.
  • Конденсаторы используются во многих типах аппаратуры.
  • Каждый конденсатор должен обладать двумя обкладками и диэлектриком между ними

Для закрепления пройденного материала урок 9-10 (31.10.2020) выполни самостоятельную №5 – Выполни тестовое задание.

  • Перед тем как приступить к выполнению тестового задания, необходимо открыть учебник найти параграфы 1.7 и 1.8 при необходимости прочитать и закрепить материал урока. Найти карточки 1.6 и 1.7 и только после этого переходить по ссылке https ://videouroki.net/tests/246769789 /
  • Тестовое задание должно быть вами выполнено в период с 9:15 ч до 20:00ч 31.10.2020г. В противном случае оценка будет снижена.
  • Тестовое задание выполняем 1 раз.

Домашнее задание по результатам 9-10 урока (31.10.2020)

  • Если не успел на уроке выполнить самостоятельную работу № 5 https://videouroki.net/tests/246769789 / ВЫПОЛНИ!
  • Составь тезисный конспект урока (параграфы 1.7,1.8 Учебник И.А. Данилов, П.М. Иванов «Общая электротехника с основами электроники» ) Не забывай про формулы!!!
  • Еще раз посмотри как были решены задачи на уроке.
  • Для закрепления материала посмотри видео Конденсаторы https:// vk. com/video-199810676_456239024?list=13fcc8ca55373e559a
  • Выполни задания из рабочей тетради Электротехника Г.В. Ярочкина  номера: 1.3.4; 1.3.6; 1.3.7. Выполненные задания сфотографировать и отправить личным сообщением до 20:00 ч 02.11.2020г.
  • За дополнительную оценку (по желанию) Начертить в тетради с помощью линейки и карандаша 6 разных вариантов соединения 4 конденсаторов и написать формулы для расчета этих соединений к каждому рисунку. Выполненные задания сфотографировать и отправить личным сообщением до 20:00 ч 02.11.2020г.

Конденсаторы

    Компания Чип Селект представляет на российском рынке электронных компонентов пусковые и силовые конденсаторы торговой марки CS, обеспечивая спрос на данную продукцию у производителей бытовой и электротехники, требующей применения качественных пусковых и силовых конденсаторов, обеспечивающих долговременную и надежную работу электродвигателей и других силовых установок. Могут быть использованы как возможная замена пусковым конденсаторам таких популярных производителей как Ducati, Facon. 

   

Серии HY1, HY9

Постоянно поддерживаемые на складе номиналы емкости:

  

Серия HY1 — 1, 2, 12, 45, 80, 120, 150μF x 450VAC

Серия HY9 — 3, 6, 10, 12.5, 14, 16, 85μF  x 450VAC

  

Остальные серии и номиналы только на заказ, присылайте заявки по электронной почте.

 

 

Сфера применения:
Пуск и работа однофазных электродвигателей

Особенности:
Самовосстанавливающиеся металлизированные полипропиленовые пленочные конденсаторы
Безиндуктивная обмотка
Обмотка полностью погружена в электролит.
Самозатухающий пластиковый корпус

Исполнение:
Плоское дно-металлический крепежный болт M8×12
Контакты faston 0.8×6.35 s 
стандартное расстояние между выводами p=13.2мм±0.5
однополярный/двухполярный провод
Пластиковое покрытие защищает от разряда

Технические характеристики:

Диапазон емкостей
1-150μF

Рабочее напряжение Vn 400VAC

Рабочая частота
50Hz;60Hz

Допуск значения емкости
±5%;±10%

Климатическая категория
-25С+85С

Коэффициент рассеивания (при 50Hz-100Hz, 20C) ≤0. 002

Тестовое напряжение между выводами
2.15xVn в теч. 2 сек.

Тестовое напряжение между корпусом и выводом
2.5kVAC в теч. 1сек.

Стандарт соответствия
EN 60252

Напряжение (VAC) Емкость (μF) Размеры, диаметр × высота (мм)

250~450

 1uF 25×57
2uF 25×57
3μF 32×55
3. 5μF 32×55
4μF 32×55
4.5μF 32×55
5μF 32×55
6μF 32×55
8μF 32×55
10μF 36×58
12μF 36×70
15μF 40×70
16μF 40×70
18μF 40×70
20μF 40×70
21μF 40×70
22μF 40×70
25μF 40×70
30μF 45×92
31. 5μF 45×92
35μF 45×92
36μF 45×92
40μF 45×92
45μF 50×92
47μF 50×92
50μF 50×92
55μF 50×117
60μF 50×117
65μF 50×117
70μF 55×120
75μF 55×120
80μF 60×120
85μF 60×120
90μF 60×120
95μF 60×120
100μF 60×120
120μF 60×120
150μF 60×145
Name： HY—Motor run capacitor series Model： HY1
Description：

Applications

Starting and running of single phase motors in alternating current usage.

Manufacturing

Self-healing metallized polypropylene film capacitors.
Non inductive winding.
Wound capacitor elements fully immersed into resin..
Self-extinguishing plastic case.
Executions:
Flat bottom-metal fixing stud M8×12
faston terminals 0.8×6.35 s 
standard distance p=13.2mm±0.5
unipolar cable-bipolar cable
discharge resistance-plastic cover

Technical characteristics

Range 
Rated voltage Vn
Rated frequency
Capacitance tolerance
Climatic category
Dissipation factor(at 50Hz-100Hz and 20℃)
Test voltage between armatures
Test voltage between terminals and case
Reference standard

1-120μF
400V. ac
50Hz;60Hz
±5%;±10%
-25+85℃
≤0.002
2.15×Vn for 2s
2.5kV.ac for 1s
EN 60252

Products Overall Dimension

Dimensions(mm)

voltage(VAC)

Capacitance(μf)

D×H(mm)

Leads

250~450

3μF

32×55

3. 5μF

32×55

4μF

32×55

4.5μF

32×55

5μF

32×55

6μF

32×55

8μF

32×55

10μF

36×58

12μF

36×70

15μF

40×70

16μF

40×70

18μF

40×70

20μF

40×70

21μF

40×70

22μF

40×70

25μF

40×70

30μF

45×92

31. 5μF

45×92

35μF

45×92

36μF

45×92

40μF

45×92

45μF

50×92

47μF

50×92

50μF

50×92

55μF

50×117

60μF

50×117

65μF

50×117

70μF

55×120

75μF

55×120

80μF

60×120

85μF

60×120

90μF

60×120

95μF

60×120

100μF

60×120

Products Overall Dimension

Основы электрического конденсатора ~ Изучение электротехники

Пользовательский поиск

Конденсаторы — это электрические устройства, изготовленные с учетом емкости. Конденсаторы противостоят изменениям напряжения с течением времени, создавая ток. Такое поведение делает конденсаторы полезными для стабилизации напряжения в цепях постоянного тока. Один из способов представить конденсатор в цепи постоянного тока — это временный источник напряжения, всегда «желающий» поддерживать напряжение на своих клеммах на одном уровне. Типичный конденсатор состоит из двух параллельных проводящих пластин, разделенных изолятором, называемым диэлектриком, как показано ниже:
Плоский конденсатор

Конденсаторы имеют номинальное напряжение, а также номинальное значение емкости.Различные символы, используемые для обозначения конденсаторов на принципиальных схемах, показаны ниже:

Символы конденсаторов

Емкость конденсатора

С электрической точки зрения емкость конденсатора — это его способность накапливать электрический заряд. Чем больше емкость, тем больше сохраняется электрического заряда. Емкость плоского конденсатора определяется по формуле:

.

С = ЄА/д

Где:

C = емкость конденсатора в фарадеях (Ф).Единицами измерения могут быть микрофарды (мкФ) или пикофарады (пФ)

Є = электрическая проницаемость диэлектрического материала

A = площадь пластин конденсатора

d = Разделение пластин

Выходная емкость конденсатора будет увеличиваться, если используется материал с более высокой диэлектрической проницаемостью, или если площадь пластин увеличивается, или если расстояние между пластинами уменьшается.

Поток постоянного тока через конденсатор :

Связь между напряжением и током в конденсаторе определяется выражением:

I = CdV/dt.

Когда конденсатор, который изначально не заряжен, подключается к источнику постоянного напряжения, он имеет тенденцию потреблять большой ток. В процессе заряда напряжение на конденсаторе возрастает, а зарядный ток уменьшается. После того, как конденсатор получил достаточный заряд, напряжение на конденсаторе становится равным приложенному напряжению, и ток прекращается. После зарядки конденсатора это выглядит как обрыв в цепи постоянного тока.

Энергия, запасенная в конденсаторе

Энергия, запасенная в конденсаторе, определяется как:

E = ½ CV2 = 1/2QV

Конденсаторы последовательно и параллельно

Емкость добавляется при параллельном соединении конденсаторов.Уменьшается при последовательном соединении конденсаторов:

C(параллельно) = C1+C2+…+Cn

C(ряд) = 1/[1/C1 + 1/C2+ ….+1/Cn]

Прохождение переменного тока через конденсатор

Если переменное напряжение приложено к чистому конденсатору, ток достигает максимума, когда напряжение начинает расти от нуля, и ток равен нулю, когда напряжение на конденсаторе максимально. Ток опережает приложенное напряжение на 90°, как показано на графике ниже:

Вектор напряжения и тока конденсатора с переменным током через него.

Емкостное реактивное сопротивление

Это противоположность протеканию переменного тока в чисто емкостной цепи, измеряемой в омах. Емкостное сопротивление находится по формуле:

Xc = 1/2πfC

Где:

Xc = емкостное реактивное сопротивление

f  =  частота

С = емкость

8.2: Емкость и конденсаторы — Технические материалы LibreTexts

Конденсатор — это устройство, хранящее энергию.Конденсаторы хранят энергию в виде электрического поля. В самом простом случае конденсатор может быть немного больше, чем пара металлических пластин, разделенных воздухом. Поскольку это представляет собой разомкнутую цепь, постоянный ток не будет течь через конденсатор. Если это простое устройство подключить к источнику постоянного напряжения, как показано на рис. 8.2.1. , отрицательный заряд будет накапливаться на нижней пластине, а положительный заряд накапливается на верхней пластине. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не станет равным напряжению источника.При этом на пластинах будет накапливаться определенное количество электрического заряда.

Рисунок 8.2.1 : Базовый конденсатор с источником напряжения.

Способность этого устройства накапливать заряд относительно возникающего на нем напряжения называется емкостью. Его символ — C, и он имеет единицы измерения фарад (F) в честь Майкла Фарадея, английского ученого 19-го века, который сделал ранние работы в области электромагнетизма. По определению, если общий заряд в 1 кулон связан с потенциалом в 1 вольт на пластинах, то емкость равна 1 фараду.

\[1 \text{ фарад} \экв 1 \text{кулон} / 1 \text{вольт} \метка{8.1}\]

или чаще

\[C = \frac{Q}{V} \label{8.2}\]

Где

\(C\) — емкость в фарадах,

\(Q\) — заряд в кулонах,

\(В\) — напряжение в вольтах.

Из уравнения \ref{8.2} видно, что при любом заданном напряжении, чем больше емкость, тем большее количество заряда может быть сохранено. Мы также можем видеть, что при заданном размере конденсатора, чем выше напряжение, тем больше сохраняется заряд.2 \метка{8.3}\]

Где

\(Вт\) — энергия в джоулях,

\(C\) — емкость в фарадах,

\(В\) — напряжение в вольтах.

Базовый конденсатор состоит из двух проводящих пластин, разделенных изолятором или диэлектриком. Этот материал может быть воздухом или изготовлен из различных материалов, таких как пластик и керамика. Это показано на рисунке 8.2.2. .

Рисунок 8.2.2 : Компоненты универсального конденсатора.

Для практических конденсаторов пластины могут быть уложены попеременно или даже сделаны из фольги и сформированы в скрученную трубку. Какой бы ни была конструкция, характеристики диэлектрика будут играть главную роль в характеристиках устройства, как мы увидим.

Как правило, емкость увеличивается прямо пропорционально площади пластины \(A\) и обратно пропорционально расстоянию между пластинами \(d\). Далее, это также пропорционально физической характеристике диэлектрика; диэлектрическая проницаемость \(\varepsilon\).Таким образом, емкость равна:

\[C = \varepsilon \frac{A}{d} \label{8.4}\]

Где

\(C\) — емкость в фарадах,

\(A\) — площадь плиты в квадратных метрах,

\(d\) — расстояние между пластинами в метрах,

\(\varepsilon\) — диэлектрическая проницаемость диэлектрика между пластинами.

Следует отметить, что эффективная площадь пластин несколько больше, чем точная физическая площадь пластин. Это происходит из-за явления, называемого окантовкой.По сути, линии электрического поля выпячиваются наружу на краях пластины, а не сохраняют однородную параллельную ориентацию. Это показано на рисунке 8.2.3.

Рисунок 8.2.3 : Конденсатор электрического поля с окантовкой.

Из уравнения \ref{8.4} очевидно, что диэлектрическая проницаемость диэлектрика играет важную роль в определении объемного КПД конденсатора, другими словами, величины емкости, которая может быть упакована в компонент данного размера.Некоторые диэлектрики заметно более эффективны, чем другие. Для облегчения сравнения часто используется относительная диэлектрическая проницаемость, то есть отношение диэлектрической проницаемости к диэлектрической проницаемости вакуума \(\varepsilon_0\).

Таблица относительной диэлектрической проницаемости различных диэлектриков приведена в таблице 8.2.1. . Ряд обычных диэлектриков, таких как различные полипластиковые пленки и слюда, обладают диэлектрической проницаемостью, в два-шесть раз превышающей диэлектрическую проницаемость воздуха, но существуют также керамические диэлектрики, диэлектрическая проницаемость которых в сотни и тысячи раз больше, чем у воздуха.

Материал Относительная диэлектрическая проницаемость, \(\varepsilon_r = \varepsilon /\varepsilon_0\)
Вакуум 1 (\(\varepsilon_0\) =8,85E−12 фарад/метр)
Воздух 1.00058986 (на СТП)
ПТФЭ/тефлон 2.1
Полиэтилен/XLPE 2.25
Полиимид 3,4
Полипропилен 2,2-2,36
Полистирол 2,4-2,7
Полиэстер (майлар) 3.1
Бумага 1,4
Слюда 3-6
Диоксид кремния 3.9
Резина 7
Алмаз 5,5-10
Кремний 11,68
Диоксид титана 86-173
Титанат стронция 310
Титанат кальция и меди >250 000
Таблица 8.2.1 : Относительная диэлектрическая проницаемость различных диэлектриков. Данные взяты из Википедии и других источников.

На первый взгляд может показаться, что выбор диэлектрика с самой высокой диэлектрической проницаемостью будет лучшим выбором, но это не обязательно так. Есть несколько других факторов, влияющих на это решение, включая температурную стабильность, сопротивление утечки (эффективное параллельное сопротивление), ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) и прочность на пробой. Для идеального конденсатора сопротивление утечки было бы бесконечным, а ESR было бы равно нулю.

В отличие от резисторов, конденсаторы не имеют максимальной рассеиваемой мощности. Вместо этого они имеют максимальное номинальное напряжение. Пробойная прочность диэлектрика устанавливает верхний предел того, насколько большое напряжение может быть приложено к конденсатору, прежде чем он будет поврежден. Пробойная прочность измеряется в вольтах на единицу расстояния, таким образом, чем ближе пластины, тем меньшее напряжение выдерживает конденсатор. Например, уменьшение вдвое расстояния между пластинами удваивает емкость, но также вдвое снижает номинальное напряжение.Таблица 8.2.2 перечисляет прочность на пробой различных диэлектриков. Сравнение таблиц Таблиц 8.2.1 и 8.2.2 намекает на сложность ситуации. Например, рассмотрим полистирол против полипропилена. Полистирол предлагает умеренно повышенную диэлектрическую проницаемость, но полипропилен имеет значительное преимущество с точки зрения прочности на разрыв. Как следствие, пластины могут быть размещены намного ближе друг к другу при использовании полипропилена, при этом достигается такое же номинальное напряжение, как у конденсатора с использованием полистирола.Следовательно, полипропиленовый конденсатор потребует меньшего объема при той же емкости. Дополнительным преимуществом полипропилена является, среди прочих характеристик, высокая термостойкость и низкое влагопоглощение. Сравнивая полипропилен с полиэфиром, мы обнаруживаем, что улучшенная диэлектрическая проницаемость полиэфира наряду с аналогичной прочностью на разрыв дает улучшенную объемную эффективность по сравнению с полипропиленом. К сожалению, полиэстер страдает от большей температурной зависимости.

Вещество Прочность на разрыв (кВ/мм)
Воздух 3.0
Боросиликатное стекло 20-40
ПТФЭ (тефлон, изоляционная пленка) 60-173
Полиэтилен 19-160
Полипропилен 650
Полистирол 19,7
PEEK (полиэфирэфиркетон) 23
Полиэстер (майлар) 580
Неопреновый каучук 15.7-26.7
Дистиллированная вода 65-70
Вощеная бумага 40-60
Слюда 118
Алмаз 2000
ЦТС (керамика) 10-25
Таблица 8.2.2 : Диэлектрическая прочность различных диэлектриков. Данные взяты из Википедии и других источников.{12}\). В отличие от резисторов, чей физический размер связан с их номинальной мощностью, а не значением сопротивления, физический размер конденсатора связан как с его емкостью, так и с его номинальным напряжением (следствие уравнения \ref{8.4}). Небольшие конденсаторы для поверхностного монтажа могут быть довольно малы, в то время как конденсаторы фильтра источника питания, обычно используемые в устройствах бытовой электроники, таких как аудиоусилители, могут быть значительно больше, чем батарея элемента D. Выборка конденсаторов показана на рисунке 8.2.4. .

Рисунок 8.2.4 : Разнообразие стилей и упаковок конденсаторов.

В передней и левой части фотографии находятся различные конденсаторы из пластиковой пленки. Дисковый конденсатор использует керамический диэлектрик. Небольшое квадратное устройство спереди представляет собой конденсатор для поверхностного монтажа, а справа от него находится каплевидный танталовый конденсатор, обычно используемый для обхода источника питания в электронных схемах. Конденсатор среднего размера справа со сложенными выводами представляет собой бумажный конденсатор, который когда-то был очень популярен в аудиосхемах.Некоторые конденсаторы имеют обжимное кольцо с одной стороны, включая большое устройство с винтовыми клеммами. Это алюминиевые электролитические конденсаторы. Эти устройства, как правило, демонстрируют высокий объемный КПД, но, как правило, не обеспечивают максимальной производительности в других областях, таких как абсолютная точность и ток утечки. Обычно они поляризованы, что означает, что выводы должны соответствовать полярности приложенного напряжения. Вставка их в цепь в обратном порядке может привести к катастрофическому отказу. Полярность обычно обозначается рядом знаков минус и/или полосой, обозначающей отрицательный вывод.Танталовые конденсаторы также поляризованы, но обычно обозначаются знаком плюс рядом с положительным выводом. Конденсатор переменной емкости, используемый для настройки радио, показан на рис. 8.2.5. . Один набор пластин крепится к раме, а пересекающийся набор пластин крепится к валу. Вращение вала изменяет площадь перекрытия пластин и, таким образом, изменяет емкость.

Рисунок 8.2.5 : Переменный конденсатор.

Для больших конденсаторов значение емкости и номинальное напряжение обычно печатаются непосредственно на корпусе.В некоторых конденсаторах используется «MFD», что означает «микрофарады». Хотя цветовой код конденсатора существует, как и цветовой код резистора, он, как правило, теряет популярность. Для конденсаторов меньшего размера используется числовой код, повторяющий цветовой код. Обычно он состоит из трехзначного числа, например «152».

Первые две цифры — это часть точности, а третья цифра — множитель в степени десяти. Результат в пикофарадах. Таким образом, 152 — это 1500 пф.

Рисунок 8.2,6 : Обозначения конденсаторов (сверху вниз): неполяризованные, поляризованные, переменные.

Схематические обозначения конденсаторов показаны на рис. 8.2.6. . Широко используются три символа. Первый символ, использующий две параллельные линии для отражения двух пластин, предназначен для стандартных неполяризованных конденсаторов. Второй символ обозначает поляризованные конденсаторы. В этом варианте положительный вывод изображается прямой линией для этой пластины и часто обозначается знаком плюс. Минусовая клемма нарисована изогнутой линией.Третий символ используется для конденсаторов переменной емкости и прочерчен стрелкой, как реостат.

Рисунок 8.2.7 : Измеритель LCR, предназначенный для считывания емкости, сопротивления и индуктивности.

Для получения точных измерений конденсаторов используйте измеритель LCR, такой как показанный на рис. 8.2.7. , может быть использовано. Эти устройства предназначены для измерения трех распространенных пассивных электрических компонентов: резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности 1 .В отличие от простого цифрового мультиметра, измеритель LCR также может измерять значения на различных частотах переменного тока, а не только постоянного тока, а также определять вторичные характеристики, такие как эквивалентное последовательное сопротивление и эффективное сопротивление параллельной утечки.

Паспорт конденсатора

Часть паспорта типового конденсатора показана на рис. 8.2.8. . Это серия металлизированных пленочных конденсаторов со сквозными отверстиями, в которых в качестве диэлектрика используется полипропилен. Сначала мы видим список общих функций.Во-первых, мы обнаружили, что в конденсаторах используется огнестойкое эпоксидное покрытие, а также они соответствуют требованиям RoHS. Затем мы переходим к набору технических характеристик электрических характеристик. Например, мы видим, что эта серия доступна в двух вариантах: один рассчитан на 800 вольт постоянного тока, а другой — на 1600 вольт постоянного тока. Кроме того, допуск доступен как \(\pm\)3% или \(\pm\)5%. Коэффициент рассеяния \((\tan \delta )\) является мерой, имеющей особое значение для работы переменного тока, и пропорционален ESR (эквивалентному последовательному сопротивлению, в идеале равному 0), чем меньше, тем лучше.Сопротивление изоляции указывает на значение эффективного сопротивления параллельной утечки (чем выше, тем лучше), здесь около 30 000 МОм\(\Омега\). Наконец, мы видим данные о физических размерах, необходимые для разводки печатных плат.

Конденсаторы последовательно и параллельно

Несколько конденсаторов, соединенных последовательно и/или параллельно, ведут себя не так, как резисторы. Параллельное размещение конденсаторов увеличивает общую площадь пластины и, следовательно, увеличивает емкость, как показано в уравнении \ref{8.4}. Поэтому конденсаторы, включенные параллельно, увеличивают стоимость, ведя себя как резисторы, включенные последовательно. Напротив, когда конденсаторы расположены последовательно, расстояние между пластинами как бы увеличивается, что приводит к уменьшению емкости. Поэтому конденсаторы, включенные последовательно, ведут себя как резисторы, включенные параллельно. Их значение находится с помощью обратной суммы суммированных обратных величин или по правилу произведения-суммы.

Рисунок 8.2.8 : Паспорт конденсатора. Предоставлено Panasonic

Пример 8.2.1

Найдите эквивалентную емкость сети, показанной на рисунке 8.2,9 .

Рисунок 8.2.9 : Схема для примера 8.2.1 .

Все эти конденсаторы соединены параллельно, поэтому эквивалентное значение равно сумме трех емкостей:

\[C_{Всего} = C_1+C_2+C_3 \не число\]

\[C_{Всего} = 1 \мкФ+100 нФ+560 нФ \номер\]

\[C_{Всего} = 1,66 \мкФ \номер\]

Пример 8.2.2

Найдите эквивалентную емкость сети, показанной на рис. 8.2.10. .

Рисунок 8.2.10 : Схема для примера 8.2.2 .

В этой схеме мы видим, что левый и средний конденсаторы включены параллельно. Эта комбинация последовательно с конденсатором справа:

\[C_{левый} = C_1+C_2 \номер\]

\[C_{левый} = 3,3 \мкФ+4,7 \мкФ \номер\]

\[C_{левый} = 8 \mu F \не число\]

\[C_{Всего} = \frac{C_{левый}C_3} {C_{левый}+C_3} \номер\]

\[C_{Total} = \frac{8 \mu F16 \mu F}{8 \mu F+16 \mu F} \nonumber\]

\[C_{Всего} \примерно 5.33 \мкФ \номер\]

Если в цепи нет ничего, кроме источника напряжения, включенного параллельно с группой конденсаторов, напряжение будет одинаковым на всех конденсаторах, как и в резистивной параллельной цепи. Если вместо этого цепь состоит из нескольких конденсаторов, включенных последовательно с источником напряжения, как показано на рис. 8.2.11. , напряжение будет делиться между ними обратно пропорционально. Другими словами, чем больше емкость, тем меньше ее доля в приложенном напряжении.Напряжения также можно найти, сначала определив последовательную эквивалентную емкость. Затем общий заряд может быть определен с использованием приложенного напряжения. Наконец, отдельные напряжения рассчитываются по уравнению \ref{8.2}, \(V = Q/C\), где \(Q\) — общий заряд, а \(C\) — интересующая емкость. Это показано в следующем примере.

Рисунок 8.2.11 : простая последовательная схема, состоящая только из конденсаторов.

Пример 8.2.3

Найдите напряжения на конденсаторах на рис. 8.2.12 .

Рисунок 8.2.12 : Схема для примера 8.2.3 .

Первым шагом является определение общей емкости. Поскольку они расположены последовательно, мы можем использовать правило взаимности:

.

\[C_{Всего} = \frac{1}{\frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \frac{1}{C_3}} \nonnumber\]

\[C_{Total} = \frac{1}{\frac{1}{2 \mu F} + \frac{1}{4 \mu F} + \frac{1}{8 \mu F}} \номер\]

\[C_{Всего} \приблизительно 1,143 \мкФ \номер\]

Отсюда определяем общий заряд:

\[Q = V C \номер\]

\[Q = 12 В1.143 \мкФ \номер\]

\[Q = 13,71 \mu C \не число\]

Заряд постоянен для всех последовательных конденсаторов, следовательно:

\[V_{2uF} = \frac{Q}{C} \номер\]

\[V_{2uF} = \frac{13.71 \mu C}{2 \mu F} \nonnumber\]

\[В_{2 мкФ} = 6,855 В \без числа\]

\[V_{4uF} = \frac{Q}{C} \номер\]

\[V_{4uF} = \frac{13.71 \mu C}{4 \mu F} \nonnumber\]

\[В_{4 мкФ} = 3,427 В \номер\]

\[V_{8uF} = \frac{Q}{C} \номер\]

\[V_{8uF} = \frac{13.71 \mu C}{8 \mu F} \номер\]

\[В_{8 мкФ} = 1,714 В \номер\]

Сумма трех напряжений составляет 12 вольт (в пределах погрешности округления) и соответствует ожидаемому значению KVL.

Практический совет

Хотя может возникнуть соблазн попробовать, не пытайтесь проверить работу примера 8.2.3. в лаборатории с помощью стандартного цифрового мультиметра. Причина в том, что внутреннее сопротивление типичного цифрового вольтметра на много порядков меньше, чем сопротивление утечки конденсаторов.В результате заряд будет передаваться счетчику, нарушая измерение. Это было бы похоже на попытку измерить напряжение на цепочке резисторов, каждый из которых превышает 100 МОм\(\Омега\), с помощью измерителя, внутреннее сопротивление которого равно 1 МОм\(\Омега\). Сопротивление измерителя доминирует над параллельной комбинацией и вызывает чрезмерную нагрузку, которая разрушает измерение. Для этих типов измерений необходим специальный тип вольтметра, электростатический вольтметр или электрометр. Их иногда называют счетчиками без взимания платы.

Зависимость тока от напряжения

Основное отношение тока к напряжению конденсатора не такое, как у резисторов. Конденсаторы не так сильно сопротивляются току; более продуктивно думать с точки зрения их реакции на это. Ток через конденсатор равен емкости, умноженной на скорость изменения напряжения на конденсаторе во времени (т. е. на его наклон). То есть важно не значение напряжения, а то, как быстро меняется напряжение.При фиксированном напряжении ток конденсатора равен нулю, и поэтому конденсатор ведет себя как открытый. Если напряжение меняется быстро, ток будет высоким, и конденсатор ведет себя скорее как короткое замыкание. Выражается формулой:

\[i = C \frac{d v}{d t} \label{8.5}\]

Где

\(i\) — ток, протекающий через конденсатор,

\(C\) — емкость,

\(dv/dt\) — скорость изменения напряжения конденсатора во времени.

Особенно полезная форма уравнения \ref{8.5} это:

\[\frac{d v}{d t} = \frac{i}{C} \label{8.6}\]

Альтернативный взгляд на уравнение \ref{8.5} показывает, что если конденсатор питается от источника постоянного тока, напряжение будет расти с постоянной скоростью (\(dv/dt\)). Он непрерывно накапливает заряд на пластинах конденсатора со скоростью \(I\), что эквивалентно \(Q/t\). Пока присутствует ток, питающий конденсатор, напряжение на конденсаторе будет продолжать расти. Хорошая аналогия, если бы у нас была труба, льющая воду в резервуар, при этом уровень в резервуаре продолжает расти.Этот процесс накопления заряда на пластинах называется зарядкой конденсатора. Например, рассматривая схему на рис. 8.2.13. , мы видим источник тока, питающий один конденсатор. Если бы мы построили график зависимости напряжения конденсатора от времени, мы бы увидели график, подобный рисунку 8.2.14. .

Рисунок 8.2.13 : Конденсатор с источником тока.

Рисунок 8.2.14 : Напряжение конденсатора в зависимости от времени.

С течением времени напряжение на конденсаторе увеличивается с положительной полярностью сверху вниз.С теоретически идеальными конденсатором и источником это будет продолжаться вечно или до тех пор, пока не будет отключен источник тока. В действительности эта линия либо начала бы отклоняться по горизонтали, когда источник достиг своих пределов, либо конденсатор вышел бы из строя, как только было бы достигнуто его напряжение пробоя. Наклон этой линии определяется размером источника тока и емкостью.

Пример 8.2.4

Определите скорость изменения напряжения на конденсаторе в цепи рис.8.2,15 . Также определите напряжение конденсатора через 10 миллисекунд после включения питания.

Рисунок 8.2.15 : Схема для примера 8.2.4 .

Во-первых, обратите внимание на направление источника тока. Это создаст отрицательное напряжение на конденсаторе сверху вниз. Скорость изменения:

\[\frac{dv}{dt} = \frac{i}{C} \nonumber\]

\[\frac{dv}{dt} = \frac{−5 \mu A}{30 нФ} \nonumber\]

\[\frac{dv}{dt} \приблизительно −166,7 \text{вольт в секунду} \nonnumber\]

Таким образом, каждую секунду напряжение увеличивается еще на -166.7 вольт. Если предположить, что он полностью разряжен при подаче питания, через 10 миллисекунд он возрастет до -166,7 В / с, умноженный на 10 мс, или -1,667 вольт.

Уравнение \ref{8.6} дает представление о поведении конденсаторов. Как только что было отмечено, если конденсатор питается от постоянного источника тока, напряжение на нем возрастает с постоянной скоростью \(i/C\). Существует предел скорости изменения напряжения на конденсаторе. Мгновенное изменение означает, что \(dv/dt\) бесконечно, и, следовательно, ток, питающий конденсатор, также должен быть бесконечным (что невозможно).Это не проблема резисторов, которые подчиняются закону Ома, а ограничение конденсаторов. Поэтому мы можем указать особенно важную характеристику конденсаторов:

\[\text{Напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно.} \label{8.7}\]

Это наблюдение будет ключом к пониманию работы конденсаторов в цепях постоянного тока.

Каталожные номера

1 Катушки индуктивности рассматриваются в следующей главе.

Конденсаторы — Практические EE

Конденсаторы — это устройства, которые накапливают электрическую потенциальную энергию в электрическом поле.Они создаются путем размещения двух проводящих поверхностей в непосредственной близости друг от друга, но разделенных изолирующим диэлектрическим материалом. Большая площадь поверхности в непосредственной близости и близость этой близости и тип диэлектрического материала определяют емкость.


Обозначения конденсаторов Конденсатор Поляризованный конденсатор


Общие уравнения для конденсаторов

Связь тока/напряжения:

Ток через конденсатор равен емкости, умноженной на скорость изменения напряжения (производная по времени от напряжения).

Это уравнение означает несколько важных вещей:

  • Напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно, для этого потребовался бы бесконечный ток. Конденсаторы борются с быстрыми изменениями напряжения.
  • Ток через конденсатор пропорционален скорости изменения напряжения. Константой пропорциональности является емкость.
  • Ток через конденсатор может изменяться мгновенно.

Реактивное сопротивление:

Реактивное сопротивление конденсатора = -1 Деленное на 2 * Pi * Частота в Гц * Емкость; Реактивное сопротивление имеет единицы Ом

  • Реактивное сопротивление конденсатора уменьшается с увеличением частоты.Конденсаторы действуют как короткие замыкания для высокочастотных сигналов и действуют как разомкнутые цепи для низкочастотных сигналов.
  • Отрицательное реактивное сопротивление означает, что ток опережает напряжение (ток меняется быстро, напряжение отстает)
  • Для идеального конденсатора его сопротивление равно 0, поэтому его импеданс равен:

Импеданс:


Основные характеристики реальных конденсаторов
  • Емкость – номинальная емкость
  • Допуск – точность измерения емкости
  • Максимальное напряжение
  • Тангенс угла потерь или эквивалентное последовательное сопротивление – показывает, какое сопротивление имеет конденсатор
  • Ток пульсаций

и их предельная спецификация для большинства применений — их номинальное напряжение.Размер конденсаторов связан как с емкостью, так и с номинальным напряжением, что немного отличается от резисторов, размер которых в основном определяется номинальной мощностью.

Тангенс угла потерь и ESR

В большинстве применений конденсаторов требуется минимальное эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Но в случае импульсных преобразователей мощности обычно требуется некоторое ESR в большом выходном конденсаторе, и вам необходимо проверить его номинал на соответствие требованиям регулятора. Однако некоторые поставщики конденсаторов не указывают ESR, а вместо этого указывают тангенс угла потерь.Почему они это делают? Чтобы предоставить вам прекрасную возможность преобразовать тангенс угла потерь в ESR. Вот как это сделать.

В паспорте конденсатора будет указан тангенс угла потерь на указанной частоте. Вам нужны оба значения для преобразования в ESR.

Потери, касательные к ESR Преобразование:

ESR = [тангенс угла потерь], деленный на количество 2 * Pi * [частота спецификации тангенса угла потерь] * [емкость конденсатора]

Пульсирующий ток


Типы конденсаторов

Керамические колпачки

  • Неполяризованный.Неважно, к какой клемме вы подключаете положительное или отрицательное напряжение.
  • Комбинация емкости и номинального напряжения определяет размер корпуса.
  • Предлагается для поверхностного монтажа (SMD) или для выводов через отверстия. В керамических конденсаторах SMD
    используются те же размеры корпуса, что и в резисторах SMD, что совершенно необходимо для отрасли. Керамические конденсаторы SMD
  • очень недороги, могут быть очень маленькими, иметь очень низкое паразитное последовательное сопротивление (ESR) и являются очевидным выбором. использовать, если вам не нужны специальные характеристики, предоставляемые другими типами.
  • Основным недостатком керамических конденсаторов является то, что они не обладают такой большой емкостью, как конденсаторы других типов. Емкость доступна до 100 мкФ.
  • Керамические колпачки доступны с различными типами диэлектрика, и тип диэлектрика оказывает большое влияние на устойчивость. Ниже перечислены четыре наиболее распространенных типа.
    • C0G : +/-30 ppm/C (30 частей на миллион на градус Цельсия). Это тот, который следует использовать, когда вам нужна точность емкости
    • X5R : +/- 15% в указанном диапазоне температур от -55°C до +85°C
    • X7R : +/- 15% в указанном диапазоне температур -55°C до +125С.X5R и X7R, как правило, то, что вы хотите использовать.
    • Y5V : +22%/-82% в указанном диапазоне температур от -30°C до +85°C. Этот тип очень неточен, и я бы их избегал.
Конденсатор для поверхностного монтажа Керамический конденсатор со сквозным отверстием


Алюминий Электролитический
  • Поляризованный. Вы должны подключить одну клемму к положительному напряжению, а другую к отрицательному напряжению, иначе он буквально взорвется. И да, я знаю это по личному опыту.
  • Имеют большую емкость и хорошие номинальные напряжения
  • Недостатки: большой размер, высокое ESR (обратите внимание, что высокое ESR не всегда плохо)
  • Лучше справляется с большими динамическими токами, чем другие типы, даже если они кроме сравнения с керамическими колпачками.
  • Обычно используется для емкости с большой развязкой, которая обеспечивает стабильное напряжение шин питания, а также в переключающих преобразователях постоянного тока в постоянный, где для стабильности управления часто требуется высокое ESR.
  • Алюминиевые электролитические колпачки имеют определенный срок службы, что очень важно.Это указывается в часах работы, и типичное значение составляет 2000 часов. Это очень короткий срок, всего 83 дня! Чем тогда может быть полезен этот девайс? Ответ заключается в том, что срок службы устройства указан при максимальной указанной температуре и максимальном указанном напряжении. Если вы запускаете устройство при более низкой температуре или более низком напряжении, оно прослужит намного дольше. По сути, если вы проектируете что-то, что рассчитано на пару лет, тогда подойдет деталь на 2000 часов, если вы проектируете что-то, что прослужит больше 5, 7 или 10 лет, тогда найдите деталь с более длительным сроком службы.
Алюминиевые электролитические конденсаторы


Танталовые электролитические колпачки
  • Обладает большой емкостью при небольшом размере.
  • Имеют низкое ESR: выше, чем у керамических конденсаторов, но намного ниже, чем у алюминиево-электролитных. Их режим отказа — каскадное короткое замыкание с тепловым выходом из строя, что плохо, потому что может вызвать пожар.
  • Честно говоря, может быть лучше использовать колпачки следующего типа, алюминиево-полимерные колпачки, которые имеют те же преимущества, но без режима катастрофического отказа.
Танталовые конденсаторы


Алюминиево-полимерные колпачки
  • Имеют низкое ESR и высокую емкость в маленьком корпусе
  • Не имеют катастрофического выхода из строя, как танталовые крышки
  • Относительно высокая стоимость
  • Эту деталь следует использовать, если вам требуется большая емкость в небольшом пространстве.
Алюминиево-полимерные конденсаторы

Общие значения конденсаторов

1,0 10 100 1000 0.01 0,1 1,0 10 100 1000
1.1 11 110 1100            
1,2 12 120 1200            
1,3 13 130 1300            
1.5 15 150 1500 0,015 0,15 1,5 15 150 1500
1,6 16 160 1600            
1,8 18 180 1800            
2.0 20 200 2000            
2.2 22 220 2200 0,022 0,22 2,2 22 220 2200
2,4 24 240 2400            
2.7 27 270 2700            
3,0 30 300 3000            
3,3 33 330 3300 0,033 0,33 3,3 33 330 3300
3.6 36 360 3600            
3,9 39 390 3900            
4.3 43 430 4300            
4.7 47 470 4700 0,047 0,47 4,7 47 470 4700
5.1 51 510 5100            
5,6 56 560 5600            
6.2 62 620 6200            
6,8 68 680 6800 0,068 0,68 6,8 68 680 6800
7,5 75 750 7500            
8.2 82 820 8200            
9.1 91 910 9100            

Номинальное напряжение конденсатора

  10 В 10 В    
16В 16В 16В    
    20 В    
25В 25В 25В    
  35В 35В    
50В 50В 50В 50В  
  63В      
100В 100 В   100 В  
  160 В      
      200В  
  250 В     250 В
  350 В      
      400В 400В
  450 В      
600В        
        630В
1000В        

Керамический конденсатор Трехбуквенный код

Крышки класса I

Первый символ Второй символ Третий символ
Письмо Сиг инжир* Цифра Множитель 10 x Письмо Допуск
С 0.0 0 -1 Г +/-30
Б 0,3 1 -10 Х +/-60
Л 0,8 2 -100 Дж +/-120
А 0,9 3 -1000 К +/-250
М 1.0 4 +1 л +/-500
Р 1,5 6 +10 М +/-1000
Р 2,2 7 +100 Н +/-2500
С 3,3 8 +1000    
Т 4.7        
В 5,6        
У 7,5        

Крышки класса II

Первый символ Второй символ Третий символ
Письмо Низкотемпературный Цифра Высокотемпературный Письмо Изменить
Х -55C (-67F) 2 +45°С (+113°F) Д +/-3.3%
Д -30°С (-22°F) 4 +65 (+149F) Е +/-4,7%
З +10С (+50F) 5 +85 (+185F) Ф +/-7,5%
    6 +105 (+221F) Р +/-10%
    7 +125 (+257F) Р +/-15%
        С +/-22%
        Т +22% / -33%
        У +22% / -56%
        В +22% / -82%

Полезные видео

Далее: Катушки индуктивности

Конденсатор | Инжиниринг | Fandom

Конденсатор — это устройство, накапливающее энергию в электрическом поле, создаваемом между парой проводников, на которых размещены равные, но противоположные электрические заряды.Конденсатор иногда упоминается с использованием более старого термина конденсатор .

Конденсаторы различных типов

Конденсаторы SMD: электролитические внизу, керамические над ними; сквозные керамические и электролитические конденсаторы справа для сравнения

История[]

См. [1]

Физика[]

Обзор[]

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

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

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

Емкость[]

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

В единицах СИ емкость конденсатора составляет один фарад (Ф), когда заряд в один кулон (Кл) вызывает разность потенциалов на пластинах в один вольт (В).Поскольку фарад является очень большой единицей, номиналы конденсаторов обычно выражаются в микрофарадах (мкФ) x10 -6 , нанофарадах (нФ) x10 -9 или пикофарадах (пФ) x10 -12 .

Емкость пропорциональна площади поверхности проводящей пластины и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Он также пропорционален диэлектрической проницаемости диэлектрического (то есть непроводящего) вещества, разделяющего пластины.

Емкость плоского конденсатора определяется по формуле:

[2]

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

Накопленная энергия[]

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

где V — напряжение на конденсаторе.

Гидравлическая модель[]

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

В электрических цепях[]

Цепи с источниками постоянного тока[]

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

где

I – ток, протекающий в обычном направлении, измеряемый в амперах.
dV/dt – производная напряжения по времени, измеряемая в вольтах/секунду.
C — емкость в фарадах

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

Цепи с источниками переменного тока[]

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

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

где

, угловая частота измеряется в радианах в секунду
X C = емкостное реактивное сопротивление, измеренное в омах
f = частота переменного тока в герцах
C = емкость в фарадах

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

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

Полное сопротивление конденсатора определяется по формуле:

где и – мнимая единица [3].

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

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

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

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

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

Импеданс в частотной области можно записать как

.

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

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

Конденсаторы и ток смещения[]

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

Конденсаторные сети[]

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

Последовательное или параллельное расположение[]
Основная статья: Последовательные и параллельные цепи

Конденсаторы в параллельной конфигурации имеют одинаковую разность потенциалов (напряжение). Их общая емкость ( C eq ) определяется по формуле:

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

При параллельном хранении общий заряд равен сумме зарядов в каждом конденсаторе. При последовательном соединении заряд каждого конденсатора одинаков.

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

Сдвоенный конденсатор/индуктор[]

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

Приложения[]

Конденсаторы широко используются в электронных и электрических системах.

Аккумулятор энергии[]

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

Обработка сигналов[]

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

Блоки питания[]

Конденсаторы

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

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

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

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

Настроенные схемы[]

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

Сигнальная муфта[]

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

Шумоподавляющие фильтры, пускатели двигателей и демпфирующие устройства[]

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

И наоборот, для быстрого возбуждения тока через индуктивную цепь требуется большее напряжение, чем требуется для его поддержания; в таких применениях, как большие двигатели, это может вызвать нежелательные характеристики запуска, и пусковой конденсатор двигателя используется для накопления достаточной энергии, чтобы дать току начальный толчок, необходимый для запуска двигателя.

Применение датчиков[]

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

Акселерометры[]

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

Применение оружия[]

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

Идеальные и неидеальные конденсаторы[]

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

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

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

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

Опасности и безопасность конденсаторов[]

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

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

См. также[]

Конденсатор (деталь) Шаблон:Wikibookspar

Внешние ссылки[]

Ссылки[]

«IEEE Spectrum», январь 2005 г., том 42, № 1, североамериканское издание.

  • «Справочник ARRL для радиолюбителей, 68-е изд.», The Amateur Radio Relay League, Newington CT USA, 1991
  • «Основы теории цепей с цифровыми вычислениями», Лоуренс П. Хьюлсман, Прентис-Холл, 1972 г.
  • Philosophical Transactions of the Royal Society LXXII, Приложение 8, 1782 (Вольта чеканит слово конденсатор )
  • А.К. Майни «Электронные проекты для начинающих», «Пустак Махал», 2-е издание: март 1998 г. (ИНДИЯ [11])
  • Музей Спарк (фон Клейст и Мушенбрук)
  • Биография фон Клейста
конденсатор

| Infoplease

конденсатор или конденсатор, устройство для накопления электрического заряда. Простые конденсаторы состоят из двух пластин, изготовленных из электропроводящего материала (например, металла) и разделенных непроводящим материалом или диэлектриком (например, металлом).г., стекло, парафин, слюда, масло, бумага, тантал или воздух). Лейденская банка представляет собой простой конденсатор. Если к пластинам конденсатора приложить электрический потенциал (напряжение) (например, подключив одну пластину к положительной, а другую к отрицательной клемме аккумуляторной батареи), пластины зарядятся, одна положительно, а другая отрицательно. Если внешнее напряжение затем удаляется, пластины конденсатора остаются заряженными, а наличие электрического заряда индуцирует электрический потенциал между пластинами.Это явление называется электростатической индукцией. Емкость устройства для накопления электрического заряда (т. е. его емкость) можно увеличить, увеличив площадь пластин, уменьшив их расстояние или заменив диэлектрик. Диэлектрическая проницаемость конкретного диэлектрика является мерой удельной емкости диэлектрика. Он описывает отношение емкости заполненного диэлектриком конденсатора к емкости конденсатора того же размера с вакуумом между пластинами. Конденсаторы используются во многих электрических и электронных устройствах.Основные классификации конденсаторов: неполяризованные (используются для цепей переменного тока) и поляризованные (используются для цепей постоянного тока). Конденсаторы также можно разделить на постоянные и переменные. Один тип переменного конденсатора, ранее использовавшийся в схемах настройки радио и телевидения, состоял из двух наборов полукруглых пластин, одна неподвижная, а другая закреплена на подвижном валу. При вращении вала площадь перекрытия двух пластин увеличивается или уменьшается, что приводит к увеличению или уменьшению емкости. Эти устройства в значительной степени были заменены синтезаторами частоты и твердотельным диодом особого типа, известным как варактор, емкость которого изменяется в зависимости от напряжения, смещенного в обратном направлении.

Электронная энциклопедия Колумбии, , 6-е изд. Авторское право © 2012, издательство Колумбийского университета. Все права защищены.

Дополнительные статьи энциклопедии: Электротехника

Знакомство с конденсаторами… — Клуб электротехники

Знакомство с конденсаторами
Как и резистор, конденсатор, иногда называемый конденсатором, представляет собой простое пассивное устройство. который используется для «хранения электричества». Конденсатор — это компонент, обладающий способностью или «емкостью» накапливать энергию в виде электрического заряда, создающего разность потенциалов (статическое напряжение) на своих пластинах, подобно небольшой перезаряжаемой батарее. .

Существует множество различных типов конденсаторов, от очень маленьких конденсаторных шариков, используемых в резонансных цепях, до больших конденсаторов для коррекции коэффициента мощности, но все они делают одно и то же — накапливают заряд.

В своей основной форме конденсатор состоит из двух или более параллельных проводящих (металлических) пластин, которые не соединены и не соприкасаются друг с другом, но электрически разделены либо воздухом, либо каким-либо видом хорошего изоляционного материала, такого как вощеная бумага, слюда, керамика, пластик или какая-либо форма жидкого геля, используемая в электролитических конденсаторах.Изолирующий слой между обкладками конденсатора обычно называют диэлектриком.

Знакомство с конденсаторами
Типовой конденсатор А

Из-за этого изолирующего слоя постоянный ток не может протекать через конденсатор, поскольку он блокирует его, позволяя вместо этого на пластинах присутствовать напряжение в виде электрического заряда.

Проводящие металлические пластины конденсатора могут быть квадратными, круглыми или прямоугольными, или они могут иметь цилиндрическую или сферическую форму с общей формой, размером и конструкцией плоского конденсатора в зависимости от его применения и номинального напряжения.

При использовании в цепи постоянного или постоянного тока конденсатор заряжается до напряжения питания, но блокирует протекание тока через него, поскольку диэлектрик конденсатора является непроводящим и в основном является изолятором. Однако, когда конденсатор подключен к сети переменного тока или цепи переменного тока, кажется, что поток тока проходит прямо через конденсатор с небольшим сопротивлением или без сопротивления.

Существует два типа электрического заряда: положительный заряд в виде протонов и отрицательный заряд в виде электронов.Когда на конденсатор подается постоянное напряжение, положительный (+ve) заряд быстро накапливается на одной пластине, в то время как соответствующий и противоположный отрицательный (-ve) заряд накапливается на другой пластине. Каждая частица с зарядом +ve, прилетевшая на одну пластину, отойдет от пластины с отрицательным зарядом того же знака.

Затем пластины остаются нейтральными по заряду, и между двумя пластинами устанавливается разность потенциалов из-за этого заряда. Как только конденсатор достигает стационарного состояния, электрический ток не может протекать через сам конденсатор и по цепи из-за изолирующих свойств диэлектрика, используемого для разделения пластин.

Поток электронов на пластины известен как зарядный ток конденсаторов, который продолжает течь до тех пор, пока напряжение на обеих пластинах (и, следовательно, на конденсаторе) не станет равным приложенному напряжению Vc. В этот момент говорят, что конденсатор «полностью заряжен» электронами.

Сила или скорость этого зарядного тока достигает своего максимального значения, когда пластины полностью разряжены (начальное состояние), и медленно снижается до нуля по мере зарядки пластин до разности потенциалов на пластинах конденсаторов, равной напряжению источника .

Величина разности потенциалов, присутствующая на конденсаторе, зависит от того, сколько заряда было нанесено на пластины за счет работы, выполняемой напряжением источника, а также от емкости конденсатора, как показано ниже.

Емкость конденсатора
Емкость представляет собой электрическое свойство конденсатора и является мерой способности конденсатора накапливать электрический заряд на своих двух пластинах. Единицей измерения емкости является фарад (сокращенно F), названный в честь британского физик Майкл Фарадей.

Емкость определяется как емкость конденсатора, равная одному фараду, когда заряд в один кулон накапливается на пластинах при напряжении в один вольт. Обратите внимание, что емкость C всегда имеет положительное значение и не имеет отрицательных единиц. Тем не менее, фарада является очень большой единицей измерения, которую можно использовать самостоятельно, поэтому обычно используются доли, кратные фарадам, например, микрофарады, нанофарады и пикофарады.

Стандартные единицы измерения емкости
Микрофарад (мкФ) 1 мкФ = 1/1 000 000 = 0.000001 = 10-6 Ф
Нанофарад (нФ) 1 нФ = 1/1 000 000 000 = 0,000000001 = 10-9 Ф
Пикофарад (пФ) 1 пФ = 1/1 000 000 000 000 = 0,00000000000012 простая таблица, которая поможет нам преобразовать пико-Фарад (пФ), в нано-Фарад (нФ), в микро-Фарад (мкФ) и в Фарад (Ф).

Емкость конденсатора с параллельными пластинами
Емкость конденсатора с плоскими пластинами пропорциональна площади А в метрах2 наименьшей из двух пластин и обратно пропорциональна расстоянию или разделению d (т.е. толщина диэлектрика) в метрах между этими двумя проводящими пластинами.

Обобщенное уравнение для емкости плоского конденсатора имеет вид: C = ε(A/d), где ε представляет собой абсолютную диэлектрическую проницаемость используемого диэлектрического материала. Диэлектрическая проницаемость вакуума, εo, также известная как «диэлектрическая проницаемость свободного пространства», имеет постоянное значение 8,84 x 10-12 фарад на метр.

Чтобы немного упростить математику, эта диэлектрическая проницаемость свободного пространства, εo, которую можно записать как: 1/(4π x 9×109), также может быть выражена в пикофарадах (пФ) на метр в качестве константы давать: 8.84 за стоимость свободного места. Обратите внимание, что результирующее значение емкости будет в пикофарадах, а не в фарадах.

Как правило, проводящие пластины конденсатора разделены каким-либо изолирующим материалом или гелем, а не идеальным вакуумом. При расчете емкости конденсатора мы можем считать, что диэлектрическая проницаемость воздуха, и особенно сухого воздуха, имеет то же значение, что и вакуум, поскольку они очень близки. Диэлектрик конденсатора
, а также общий размер проводящие пластины и их расстояние друг от друга, другим фактором, влияющим на общую емкость устройства, является тип используемого диэлектрического материала.Другими словами, «диэлектрическая проницаемость» (ε) диэлектрика.

Проводящие пластины конденсатора обычно изготавливаются из металлической фольги или металлической пленки, обеспечивающей поток электронов и заряд, но используемый диэлектрический материал всегда является изолятором. Различные изоляционные материалы, используемые в качестве диэлектрика в конденсаторе, различаются по своей способности блокировать или пропускать электрический заряд.

Этот диэлектрический материал может быть изготовлен из ряда изоляционных материалов или комбинаций этих материалов, наиболее распространенными из которых являются: воздух, бумага, полиэстер, полипропилен, майлар, керамика, стекло, масло или множество других материалов.

Фактор, на который диэлектрический материал или изолятор увеличивает емкость конденсатора по сравнению с воздухом, известен как диэлектрическая проницаемость k, и диэлектрический материал с высокой диэлектрической проницаемостью является лучшим изолятором, чем диэлектрический материал с более низкой диэлектрическая постоянная. Диэлектрическая проницаемость является безразмерной величиной, поскольку она относится к свободному пространству.

Фактическая диэлектрическая проницаемость или «комплексная диэлектрическая проницаемость» диэлектрического материала между пластинами является произведением диэлектрической проницаемости свободного пространства (εo) и относительной диэлектрической проницаемости (εr) материала, используемого в качестве диэлектрика.Номинальное напряжение конденсатора
Все конденсаторы имеют максимальное номинальное напряжение, и при выборе конденсатора необходимо учитывать величину напряжения, прикладываемого к конденсатору. Максимальное напряжение, которое может быть приложено к конденсатору без повреждения его диэлектрического материала, обычно указывается в технических описаниях как: WV (рабочее напряжение) или WV DC (рабочее напряжение постоянного тока).

Если напряжение, подаваемое на конденсатор, становится слишком большим, диэлектрик разрушается (известный как электрический пробой), и между пластинами конденсатора возникает дуга, что приводит к короткому замыканию.Рабочее напряжение конденсатора зависит от типа используемого диэлектрического материала и его толщины.

Рабочее напряжение постоянного тока конденсатора является максимальным постоянным напряжением, а НЕ максимальным переменным напряжением, поскольку конденсатор с номинальным постоянным напряжением 100 вольт постоянного тока нельзя безопасно подвергать воздействию переменного напряжения 100 вольт. Поскольку переменное напряжение имеет среднеквадратичное значение. значение 100 вольт, но пиковое значение более 141 вольт!.

Тогда конденсатор, который должен работать при 100 вольт переменного тока, должен иметь рабочее напряжение не менее 200 вольт.На практике конденсатор следует выбирать таким образом, чтобы его рабочее напряжение постоянного или переменного тока было по крайней мере на 50 процентов больше, чем максимальное эффективное напряжение, которое должно быть приложено к нему.

Другим фактором, влияющим на работу конденсатора, является диэлектрическая утечка. Диэлектрическая утечка возникает в конденсаторе в результате нежелательного тока утечки, протекающего через диэлектрический материал.

Обычно предполагается, что сопротивление диэлектрика чрезвычайно велико и является хорошим изолятором, блокирующим протекание постоянного тока через конденсатор (как в идеальном конденсаторе) от одной пластины к другой.

Однако, если диэлектрический материал поврежден из-за чрезмерного напряжения или перегрева, ток утечки через диэлектрик станет чрезвычайно высоким, что приведет к быстрой потере заряда на пластинах и перегреву конденсатора, что в конечном итоге приведет к преждевременному выходу из строя конденсатор. Никогда не используйте конденсатор в цепи с более высоким напряжением, чем рассчитано на конденсатор, иначе он может нагреться и взорваться.

Reddit — Погрузитесь во что угодно

Конденсатор — это «резервуар для хранения» заряда.Меньшие конденсаторы хранят меньшее количество заряда. Они делают это, соединяя два листа металлической фольги очень близко друг к другу с изолятором между ними.

Когда вы подсоединяете два листа к источнику питания, электроны с отрицательной стороны источника устремляются к отрицательной пластине, а электроны отталкиваются от положительной стороны источником питания. Электроны продолжают накапливаться до тех пор, пока «давление» источника питания не сравняется с противодавлением всех электронов в конденсаторе.Помните, что одинаковые заряды отталкиваются, поэтому каждому электрону, прижатому к пластине, становится немного труднее прижать следующий. Это «давление» называется напряжением.

Теперь отключим конденсатор от блока питания и рассмотрим, что у вас есть:

У вас есть две пластины. Одна сторона все еще заполнена этими электронами. Их действительно привлекает эта позитивная пластина, потому что в ней отсутствуют электроны (она заряжена положительно), и они помнят, что противоположности притягиваются. Однако, поскольку нет проводящего пути от одной пластины к другой, электроны не могут туда попасть.Если вы приложите вольтметр к двум контактам, вы увидите то же напряжение, что и блок питания, так как мы «зажали» конденсатор блоком питания, и он еще не успел вытечь. (используя аналогию «напряжение как давление»). В конце концов, однако, напряжение будет медленно падать, поскольку электронам удается мигрировать через несовершенный изолятор, или просто стираться в воздухе с открытого контакта, или сбиваться ультрафиолетовым светом.

Это достойное объяснение использования конденсатора в качестве «резервуара» заряда.

Конденсатор также часто используется в качестве фильтра синфазных помех. То есть удаление постоянного напряжения из сигнала. Таким образом, если у вас есть сигнал, пульсирующий на частоте 10 кГц с нижним пиком на уровне 5 В над землей и верхним пиком на уровне 6 В над землей, вы можете пропустить сигнал через конденсатор (размер которого соответствует нагрузке, потерям и т. д.) и получить хороший сигнал, который варьируется от -0,5 В до 0,5 В. Это связано с тем, что, когда заряд покидает одну пластину, заряды на другой пластине втягиваются в конденсатор, чтобы уравнять уровни заряда и помнить, что движущийся заряд — это ток.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

2022 © Все права защищены.