Конденсатор электрический это: Электрический конденсатор — это… Что такое Электрический конденсатор?

Содержание

Электрический конденсатор — это… Что такое Электрический конденсатор?

Основа конструкции конденсатора — две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик Слева — конденсаторы для поверхностного монтажа; справа — конденсаторы для объёмного монтажа; сверху — керамические; снизу — электролитические. На полярных SMD конденсаторах + обозначен полоской. SMD — конденсатор на плате, макрофотография Различные конденсаторы для объёмного монтажа

Конденса́тор (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать») — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

История

В 1745 году в Лейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и голландский физик Питер ван Мушенбрук случайно создали конструкцию-прототип электрического конденсатора — «лейденскую банку». Первые конденсаторы, состоящие из двух проводников разделенных непроводником (диэлектриком), упоминаемые обычно как конденсатор Эпинуса или электрический лист, были созданы ещё раньше.

[1]

Свойства конденсатора

Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течёт, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора, замыкаясь так называемым током смещения.

С точки зрения метода комплексных амплитуд конденсатор обладает комплексным импедансом

,

где j — мнимая единица, ω — циклическая частота (рад/с) протекающего синусоидального тока, f — частота в Гц, C — ёмкость конденсатора (

фарад). Отсюда также следует, что реактивное сопротивление конденсатора равно: . Для постоянного тока частота равна нулю, следовательно, реактивное сопротивление конденсатора бесконечно (в идеальном случае).

При изменении частоты изменяются диэлектрическая проницаемость диэлектрика и степень влияния паразитных параметров — собственной индуктивности и сопротивления потерь. На высоких частотах любой конденсатор можно рассматривать как последовательный колебательный контур, образуемый ёмкостью C, собственной индуктивностью LC и сопротивлением потерь Rn.

Резонансная частота конденсатора равна

При f > fp конденсатор в цепи переменного тока ведёт себя как катушка индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах f < fp, на которых его сопротивление носит ёмкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 2—3 раза ниже резонансной.

Конденсатор может накапливать электрическую энергию. Энергия заряженного конденсатора:

где U — напряжение (разность потенциалов), до которого заряжен конденсатор.

Обозначение конденсаторов на схемах

В России условные графические обозначения конденсаторов на схемах должны соответствовать ГОСТ 2.728-74[2] либо международному стандарту IEEE 315—1975:

На электрических принципиальных схемах номинальная ёмкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1 мкФ = 106 пФ) и пикофарадах, но нередко и в нанофарадах. При ёмкости не более 0,01 мкФ, ёмкость конденсатора указывают в пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу измерения, то есть постфикс «пФ» опускают. При обозначении номинала ёмкости в других единицах указывают единицу измерения. Для электролитических конденсаторов, а также для высоковольтных конденсаторов на схемах, после обозначения номинала ёмкости, указывают их максимальное рабочее напряжение в вольтах (В) или киловольтах (кВ). Например так: «10 мкФ x 10 В». Для переменных конденсаторов указывают диапазон изменения ёмкости, например так: «10 — 180». В настоящее время изготавливаются конденсаторы с номинальными ёмкостями из десятичнологарифмических рядов значений Е3, Е6, Е12, Е24, то есть на одну декаду приходится 3, 6, 12, 24 значения, так, чтобы значения с соответствующим допуском (разбросом) перекрывали всю декаду.

Характеристики конденсаторов

Основные параметры

Ёмкость

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = CU). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до тысяч микрофарад. Однако существуют конденсаторы (ионисторы) с ёмкостью до десятков фарад.

Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью S каждая, расположенных на расстоянии d друг от друга, в системе СИ выражается формулой: , где — относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами (в вакууме равна единице), — электрическая постоянная, численно равная 8,854187817·10−12 Ф/м. Эта формула справедлива, лишь когда d много меньше линейных размеров пластин.

Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею.

или

Если у всех параллельно соединённых конденсаторов расстояние между обкладками и свойства диэлектрика одинаковы, то эти конденсаторы можно представить как один большой конденсатор, разделённый на фрагменты меньшей площади.

При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы, так как от источника питания они поступают только на внешние электроды, а на внутренних электродах они получаются только за счёт разделения зарядов, ранее нейтрализовавших друг друга. Общая ёмкость батареи последовательно соединённых конденсаторов равна

или

Эта ёмкость всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора, входящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения.

Если площадь обкладок всех конденсаторов, соединённых последовательно, одинакова, то эти конденсаторы можно представить в виде одного большого конденсатора, между обкладками которого находится стопка из пластин диэлектрика всех составляющих его конденсаторов.

Удельная ёмкость

Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью — отношением ёмкости к объёму (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя.

Плотность энергии

Плотность энергии электролитического конденсатора зависит от конструктивного исполнения. Максимальная плотность достигается у больших конденсаторов, где масса корпуса невелика по сравнению с массой обкладок и электролита. Например, у конденсатора EPCOS B4345 с ёмкостью 12 000 мкФ, максимально допустимым напряжением 450 В и массой 1,9 кг плотность энергии при максимальном напряжении составляет 639 Дж/кг или 845 Дж/л. Особенно важен этот параметр при использовании конденсатора в качестве накопителя энергии, с последующим мгновенным её высвобождением, например, в пушке Гаусса.

Номинальное напряжение

Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается, что связано с увеличением тепловой скорости движения носителей заряда и, соответственно, снижению требований для образования электрического пробоя.

Полярность
Современные конденсаторы, разрушившиеся без взрыва благодаря специальной разрывающейся конструкции верхней крышки. Разрушение возможно из-за нарушения режима эксплуатациии (температуры, напряжения, полярности) или старения. Конденсаторы с разорванной крышкой практически неработоспособны и требуют замены, а если она просто вздувшаяся, но ещё не разорвана, то, скорее всего, скоро он выйдет из строя или сильно изменятся параметры, что сделает его использование невозможным.

Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса.

Опасность разрушения (взрыва)

Взрывы электролитических конденсаторов — довольно распространённое явление. Основной причиной взрывов является перегрев конденсатора, вызываемый в большинстве случаев утечкой или повышением эквивалентного последовательного сопротивления вследствие старения (актуально для импульсных устройств). В современных компьютерах перегрев конденсаторов — также очень частая причина выхода их из строя, когда они стоят рядом с источниками повышенного тепловыделения (радиаторы охлаждения).

Для уменьшения повреждений других деталей и травматизма персонала в современных конденсаторах большой ёмкости устанавливают клапан или выполняют насечку на корпусе (часто можно заметить её в форме буквы X, K или Т на торце, иногда на больших конденсаторах она прикрыта пластиком). При повышении внутреннего давления открывается клапан или корпус разрушается по насечке, испарившийся электролит выходит в виде едкого газа и иногда даже жидкости, и давление спадает без взрыва и осколков.

Старые электролитические конденсаторы выпускались в герметичном корпусе и не имели никаких защит от взрыва. Взрывная сила частей корпуса может быть достаточно большой и травмировать человека.

В отличие от электролитических, взрывоопасность оксиднополупроводниковых (танталовых) конденсаторов связана с тем, что такой конденсатор фактически представляет собой взрывчатую смесь: в качестве горючего служит тантал, а в качестве окислителя — двуокись марганца, и оба этих компонента в конструкции конденсатора перемешаны в виде тонкого порошка. При пробое конденсатора или при его случайной переполюсовке выделившееся при протекании тока тепло инициирует реакцию между данными компонентами, протекающую в виде сильной вспышки с хлопком, что сопровождается разбрасыванием искр и осколков корпуса. Сила такого взрыва довольно велика, особенно у крупных конденсаторов, и способна повредить не только соседние радиоэлементы, но и плату. При тесном расположении нескольких конденсаторов возможен прожог корпусов соседних конденсаторов, что приводит к одновременному взрыву всей группы.

Паразитные параметры

Реальные конденсаторы, помимо ёмкости, обладают также собственными сопротивлением и индуктивностью. С высокой степенью точности, эквивалентную схему реального конденсатора можно представить следующим образом:

  • C — собственная ёмкость конденсатора;
  • r — сопротивление изоляции конденсатора;
  • R — эквивалентное последовательное сопротивление;
  • L — эквивалентная последовательная индуктивность.
Электрическое сопротивление изоляции конденсатора — r

Сопротивление изоляции — это сопротивление конденсатора постоянному току, определяемое соотношением r = U / Iут, где U — напряжение, приложенное к конденсатору, Iут — ток утечки.

Эквивалентное последовательное сопротивление — R

Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС (англ. ESR), внутреннее сопротивление) обусловлено главным образом электрическим сопротивлением материала обкладок и выводов конденсатора и контакта(-ов) между ними, а также потерями в диэлектрике. Обычно ЭПС возрастает с увеличением частоты тока, протекающего через конденсатор, вследствие поверхностного эффекта.

В большинстве случаев этим параметром можно пренебречь, но иногда (напр., в случае использования электролитических конденсаторов в фильтрах импульсных блоков питания) достаточно малое его значение может быть жизненно важным для надёжности устройства. В электролитических конденсаторах, где одним из электродов является электролит, этот параметр прогрессивно увеличивается по мере эксплуатации вследствие испарения и гидролиза электролита, довольно быстро в некачественных образцах (см. Capacitor plague (англ.)).

Некоторые схемы (например, стабилизаторы напряжения) могут требовать определенного диапазона ESR конденсаторов в своих цепях. Это связано с учетом этого параметра в фазочастотной характеристике (ФЧХ) цепи обратной связи стабилизатора, влияющей на устойчивость и качество переходных процессов.

Существуют специальные приборы (ESR-метры) для измерения этого достаточно важного параметра конденсатора, по которому можно часто определить пригодность его дальнейшего использования в определённых целях. Этот параметр, кроме собственно ёмкости (ёмкость — это основной параметр) — часто имеет решающее значение в исследовании состояния старого конденсатора, стоит ли использовать его в определённой схеме, или он прогнозируемо выйдет за пределы допустимых отклонений.

Эквивалентная последовательная индуктивность — L

Эквивалентная последовательная индуктивность обусловлена, в основном, собственной индуктивностью обкладок и выводов конденсатора. Результатом этой распределенной паразитной индуктивности является превращение конденсатора в колебательный контур с характерной собственной частотой резонанса. Эта частота может быть измерена и обычно указывается в параметрах конденсатора либо в явном виде либо в виде рекомендованной максимальной рабочей частоты.

Саморазряд

Предварительно заряженный конденсатор с течением времени теряет запасённую энергию за счёт тока утечки, протекающего через слой диэлектрика между обкладками. Часто в справочниках на конденсаторы приводится параметр — постоянная времени саморазряда конденсатора, численно равная произведению ёмкости на сопротивление утечки. Это есть время, за которое начальное напряжение на отключённом конденсаторе уменьшится в e раз.

Тангенс угла диэлектрических потерь

Тангенс угла диэлектрических потерь — отношение мнимой и вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости.

Потери энергии в конденсаторе определяются потерями в диэлектрике и обкладках. При протекании переменного тока через конденсатор векторы напряжения и тока сдвинуты на угол где δ — угол диэлектрических потерь. При отсутствии потерь δ = 0. Тангенс угла потерь определяется отношением активной мощности Pа к реактивной Pр при синусоидальном напряжении определённой частоты. Величина, обратная tg δ, называется добротностью конденсатора. Термины добротности и тангенса угла потерь применяются также для катушек индуктивности и трансформаторов.

Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)

ТКЕ — относительное изменение ёмкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (кельвин). Таким образом, значение ёмкости от температуры представляется линейной формулой:

,

где — увеличение температуры в °C или К относительно нормальных условий, при которых специфицировано значение ёмкости. TKE применяется для характеристики конденсаторов со значительной линейной зависимостью ёмкости от температуры. Однако ТКЕ определяется не для всех типов конденсаторов.

Конденсаторы, имеющие нелинейную зависимость ёмкости от температуры, и конденсаторы с большими уходами ёмкости от воздействия температуры окружающей среды в обозначении имеют указание на относительное изменение ёмкости в рабочем диапазоне температур.

Диэлектрическая абсорбция

Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путём подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то мы увидим, что напряжение на обкладках снова появится как если бы мы разрядили конденсатор не до нуля. Это явление получило название диэлектрическая абсорбция (диэлектрическое поглощение). Конденсатор ведёт себя так, словно параллельно ему подключено множество последовательных RC-цепочек с различной постоянной времени. Интенсивность проявления этого эффекта зависит в основном от свойств диэлектрика конденсатора.

Подобный эффект можно наблюдать практически на всех типах диэлектриков. В электролитических конденсаторах он особенно ярок и является следствием химических реакций между электролитом и обкладками. У конденсаторов с твердым диэлектриком (например, керамических и слюдяных) эффект связан с остаточной поляризацией диэлектрика. Наименьшим диэлектрическим поглощением обладают конденсаторы с неполярными диэлектриками: тефлон (фторопласт), полистирол, полипропилен и т.п.

Эффект зависит от времени зарядки конденсатора, времени закорочения, иногда от температуры. Количественное значение абсорбции принято характеризовать коэффициентом абсорбции, который определяется в стандартных условиях.

Особое внимание в связи с эффектом следует уделять измерительным цепям постоянного тока: прецизионным интегрирующим усилителям, устройствам выборки-хранения, некоторым схемам на переключаемых конденсаторах.

Пьезоэффект

Многие керамические материалы обладают пьезоэффектом — способностью генерировать разность потенциалов при механических деформациях. Диэлектрики некоторых керамических конденсаторов также могут обладать таким свойством. Обычно это проявляется в возникновении помех в электрических цепях вследствие шума или вибрации.

Самовосстановление

В некоторых типах конденсаторов в месте пробоя изоляции прогорают обкладки — и конденсатор продолжает работать с незначительно уменьшенной ёмкостью.

Классификация конденсаторов

Слюдяной герметичный конденсатор в металлостеклянном корпусе типа «СГМ» для навесного монтажа

Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность ёмкости, величину потерь и др.

По виду диэлектрика различают:

  • Конденсаторы вакуумные (обкладки без диэлектрика находятся в вакууме).
  • Конденсаторы с газообразным диэлектриком.
  • Конденсаторы с жидким диэлектриком.
  • Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок.
  • Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные — бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок.
  • Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов прежде всего большой удельной ёмкостью. В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металлическом аноде. Вторая обкладка (катод) — это или электролит (в электролитических конденсаторах), или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесённый непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги или спечённого порошка.
  • Твердотельные конденсаторы — вместо традиционного жидкого электролита используется специальный токопроводящий органический полимер или полимеризованный органический полупроводник. Время наработки на отказ ~50000 часов при температуре 85°С. ЭПС меньше чем у жидко-электролитических и слабо зависит от температуры. Не взрываются.
Керамический подстроечный конденсатор

Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения своей ёмкости:

  • Постоянные конденсаторы — основной класс конденсаторов, не меняющие своей ёмкости (кроме как в течение срока службы).
  • Переменные конденсаторы — конденсаторы, которые допускают изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление ёмкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды, варикапы) и температурой (термо­конденсаторы). Применяются, например, в радиоприёмниках для перестройки частоты резонансного контура.
  • Подстроечные конденсаторы — конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение ёмкости.

В зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят наиболее распространённые низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы.

Также различают конденсаторы по форме обкладок: плоские, цилиндрические, сферические и другие.

Сравнение конденсаторов постоянной ёмкости

Тип конденсатора Используемый диэлектрик Особенности/применения Недостатки
Бумажные конденсаторы Бумага/пропитанная бумага Пропитанная бумага широко использовалась в старых конденсаторах. В качестве пропитки использовался воск, масло или эпоксидная смола. Некоторые подобные конденсаторы до сих пор применяются для работы при высоком напряжении, но в большинстве случаев теперь вместо них используют плёночные конденсаторы. Большой размер. Большая гигроскопичность, из-за чего они поглощают влагу из воздуха даже при наличии пластикового корпуса и пропитки. Поглощённая влага ухудшает их характеристики, повышая диэлектрические потери и понижая сопротивление изоляции.
Металлизированные бумажные конденсаторы Бумага Меньший размер, чем у бумажно-фольговых конденсаторов Подходят только для слаботочных применений. Вместо них стали широко применяться металлизированные плёночные конденсаторы.
Полиэтилентерефталатные конденсаторы Полиэтилентерефталатная плёнка Меньше чем бумажные или полипропиленовые конденсаторы со схожими характеристиками. Могут использовать полоски фольги, металлизированную плёнку или их комбинации. ПЭТ конденсаторы почти полностью заменили бумажные для задач, где требуется работа с прямым (постоянным?) током. Имеют рабочие напряжения вплоть до 60000 вольт при постоянном токе, а рабочую температуру до 125 °C. Обладают невысокой гигроскопичностью. Температурная стабильность ниже чем у бумажных. Могут применяться при низкочастотном переменном токе, но непригодны при высокочастотном из-за чрезмерного нагрева диэлектрика.
Полиамидные плёночные конденсаторы Полиамид Рабочая температура до 200 °C. Высокое сопротивление изоляции, хорошая стабильность, малый тангенс угла потерь. Большие размеры и высокая цена.
Каптоновые конденсаторы Полиимидная плёнка марки Каптон Аналогичны ПЭТ, но обладают значительно более высокой рабочей температурой (вплоть до 250 °C). Дороже ПЭТ. Температурная стабильность ниже чем у бумажных конденсаторов. Также могут применяться только при низкочастотном переменном токе, так как при высоких частотах происходит сильный нагрев диэлектрика.
Полистирольные конденсаторы Полистирол Отличные плёночные конденсаторы общего применения. Имеют отличную стабильность, высокую влагостойкость и малый отрицательный температурный коэффициент, позволяющий использовать их для компенсации положительного температурного коэффициента других компонентов. Идеальны для маломощных высокочастотных и прецизионных аналоговых задач. Максимальная рабочая температура ограничена +85 °C. Сравнительно большие по размеру.
Поликарбонатные плёночные конденсаторы Поликарбонат Имеют лучшее сопротивление изоляции, тангенс угла потерь и диэлектрическую адсорбцию в сравнении с полистирольными конденсаторами. Обладают лучшей влагостойкостью. Температурный коэффициент примерно ±80 ppm. Выдерживают полное рабочее напряжение на всём температурном диапазоне (от −55 °C до 125 °C) Максимальная рабочая температура ограничена на уровне 125 °C.
Полипропиленовые конденсаторы Полипропилен Чрезвычайно низкий тангенс угла потерь, более высокая диэлектрическая прочность, чем у поликарбонатных и ПЭТ конденсаторов. Низкая гигроскопичность и высокое сопротивление изоляции. Могут использовать полоски фольги, металлизированную плёнку или их комбинации. Плёнка совместима с технологией самолечения, повышающей надёжность. Могут работать на высоких частотах, в том числе при большой мощности, например, для индукционного нагрева (часто вместе с водяным охлаждением), благодаря очень низким диэлектрическим потерям. При более высоких ёмкостях и рабочем напряжении, например от 1 до 100 мкФ и напряжением до 440 вольт переменного тока, могут применяться как пусковые для работы с некоторыми типами однофазных электрических моторов. Более чувствительны к повреждениям от кратковременных перенапряжений или переполюсовке чем пропитанные маслом бумажные конденсаторы.
Полисульфоновые плёночные конденсаторы Полисульфон Аналогичны поликарбонатным. Могут выдерживать полное номинальное напряжение на сравнительно высоких температурах. Поглощение влаги около 0,2 %, что ограничивает их стабильность. Малая доступность и высокая стоимость.
Тефлоновые конденсаторы Тефлон Очень низкие диэлектрические потери. Рабочая температура до 250 °C, огромное сопротивление изоляции, хорошая стабильность. Используются в критичных задачах. Большой размер из-за низкой диэлектрической постоянной, более высокая цена в сравнении с другими конденсаторами.
Металлизированные плёночные конденсаторы ПЭТ или Поликарбонат Надёжные и значительно меньшие по размеру. Тонкая металлизация может использоваться для придания им свойства самовосстановления. Тонкая металлизация ограничивает максимальный ток.
Многоуровневые пластинчатые слюдяные конденсаторы Слюда Преимущества данных конденсаторов основаны на том, что их диэлектрик инертен. Он не изменяется со временем ни физически, ни химически, а также имеет хорошую температурную стабильность. Обладают очень высокой стойкостью к коронным разрядам. Без правильной герметизации подвержены влиянию влажности, что ухудшает их параметры. Высокая цена из-за редкости и высокого качества диэлектрика, а также ручной сборки.
Металлизированные или серебряные слюдяные конденсаторы Слюда Те же преимущества, в дополнение обладают большей устойчивостью к влаге. Более высокая цена.
Стеклянные конденсаторы Стекло Аналогичны слюдяным. Стабильность и частотные характеристики лучше, чем у слюдяных. Очень надёжные, очень стабильные, стойкие к радиации. Высокая цена.
Температурно-компенсированные керамические конденсаторы Смесь сложных соединений титанатов Дешёвые, миниатюрные, обладают превосходными высокочастотными характеристиками и хорошей надёжностью. Предсказуемое линейное изменение ёмкости относительно температуры. Имеются изделия, выдерживающие до 15000 вольт Изменение ёмкости при различном приложенном напряжении, частоте, подвержены старению.
Керамические конденсаторы с высокой диэлектрической постоянной Диэлектрики, основанные на титанате бария Миниатюрнее температурно-компенсированных конденсаторов из-за большей диэлектрической постоянной. Доступны для напряжений вплоть до 50000 вольт. Обладают меньшей температурной стабильностью, ёмкость значительно изменяется при различном приложенном напряжении.
Алюминиевые электролитические конденсаторы Оксид алюминия Огромное отношение ёмкости к объёму, недорогие, полярные. В основном применяются как сглаживающие и питающие конденсаторы в источниках питания. Работа на отказ не нормируется, при расчёте составляет до 500000 часов с температурой 75°C Высокие токи утечки, большое внутреннее сопротивление и индуктивность ограничивают возможность использования их на высоких частотах. Имеют низкую температурную стабильность и плохие отклонения параметров. Могут взорваться при превышении допустимых параметров и/или перегреве, при приложении обратного напряжения. Максимальное напряжение около 500 вольт.
Танталовые конденсаторы Оксид тантала Большое отношение ёмкости к объёму, малый размер, хорошая стабильность, большой диапазон рабочих температур. Широко используются в миниатюрном оборудовании и компьютерах. Доступны как в полярном, так и неполярном исполнении. Твёрдотельные танталовые конденсаторы имеют намного лучшие характеристики по сравнению с имеющими жидкий электролит. Дороже алюминиевых электролитических конденсаторов. Максимальное напряжение ограничено планкой около 50 вольт. Взрываются при превышении допустимого тока, напряжения или скорости нарастания напряжения, а также при подаче напряжения неправильной полярности.
Твердотельные конденсаторы Оксид алюминия, оксид тантала Вместо традиционного жидкого электролита используется специальный токопроводящий органический полимер или полимеризованный органический полупроводник. Время наработки на отказ ~50000 часов при температуре 85°С. ЭПС меньше чем у жидко-электролитических и слабо зависит от температуры. Не взрываются. Дороже обычных. При 105°С срок службы как у обычных электролитических. Рабочие напряжения до 35 В.
Литий-ионные конденсаторы Ион лития Литий-ионные конденсаторы обладают большей энергоёмкостью, сравнимой с батареями, безопаснее в сравнении с литий-ионными батареями, в которых начинается бурная химическая реакция при высокой температуре. По сравнению с ионисторами они имеют большее выходное напряжение. Удельная мощность у них сравнимa, но плотность энергии у Li-ion конденсаторов гораздо выше. Новая технология.
Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы) Тонкий слой электролита и активированный уголь Огромная ёмкость относительно объёма, маленький размер, низкое эквивалентное последовательное сопротивление. Доступны номиналы в сотни и даже тысячи фарад. Это сравнительно новая технология. Обычно используются для временного питания оборудования при замене батарей. Могут заряжаться и разряжаться бо́льшими токами, чем батареи, что делает их ценными для гибридных автомобилей. Полярные, имеют низкое номинальное напряжение (вольт на конденсаторную ячейку). Группы ячеек соединяются последовательно для повышения общего рабочего напряжения. Относительно высокая стоимость.
Масляные конденсаторы переменного тока Промасленная бумага В основном разрабатывались для обеспечения очень больших ёмкостей для промышленного применения в цепях переменного тока, выдерживая при этом большие токи и высокие пиковые напряжения частотой силовой питающей сети. В их задачи входит пуск и работа электрических моторов переменного тока, разделение фаз, коррекция коэффициента мощности, стабилизация напряжения, работа с контрольным оборудованием и т. д. Ограничены низкой рабочей частотой, поскольку на высоких частотах имеют высокие диэлектрические потери.
Масляные конденсаторы постоянного тока Бумага или её комбинация с ПЭТ Разработаны для работы при постоянном токе для фильтрации, удвоения напряжения, предотвращения образования дуги, как проходные и разделительные конденсаторы При наличии пульсаций требуют уменьшения рабочего напряжения согласно предоставленным производителем графикам. Обладают бо́льшими размерами в сравнении с аналогами с полимерными диэлектриками.
Энергонакопительные конденсаторы Конденсаторная крафт-бумага, пропитанная касторовым маслом или схожей жидкостью с высокой диэлектрической постоянной, и пластинки из фольги Разработаны для работы в импульсном режиме с высоким током разряда. Лучше переносят изменение полярности напряжения чем многие полимерные диэлектрики. Обычно применяются в импульсных лазерах, генераторах Маркса, для импульсной сварки, при электромагнитной формовке и иных задачах, требующих использования импульсов большой мощности. Имеют большой размер и вес. Их энергоёмкость значительно меньше чем у конденсаторов использующих полимерные диэлектрики. . Не способны к самолечению. Отказ подобного конденсатора может быть катастрофичным из-за большого объёма накопленной энергии.
Вакуумные конденсаторы Вакуумные конденсаторы используют стеклянные или керамические колбы с концентрическими цилиндрическими электродами. Чрезвычайно малые потери. Используются для мощных высоковольтных радиочастотных задач, таких как индукционный нагрев, где даже малые потери приводят к чрезмерному нагреву самого конденсатора. При ограниченном токе искры могут обладать самовосстановлением. Очень высокая цена, хрупкость, большой размер, низкая ёмкость.
12 пФ, 20 кВ вакуумный конденсатор постоянной ёмкости. Два 8 мкФ, 525 В бумажных электролитических конденсатора в радио 1930х годов.[3]

Применение конденсаторов

Конденсаторы находят применение практически во всех областях электротехники.

  • Так как конденсатор способен длительное время сохранять заряд, то его можно использовать в качестве элемента памяти или устройства хранения электрической энергии.
  • Измерительный преобразователь (ИП) малых перемещений: малое изменение расстояния между обкладками очень заметно сказывается на ёмкости конденсатора.
  • ИП влажности воздуха, древесины (изменение состава диэлектрика приводит к изменению ёмкости).
  • В схемах РЗиА конденсаторы используются для реализации логики работы некоторых защит. В частности, в схеме работы АПВ использование конденсатора позволяет обеспечить требуемую кратность срабатывания защиты.
  • Измерителя уровня жидкости. Непроводящая жидкость заполняет пространство между обкладками конденсатора, и ёмкость конденсатора меняется в зависимости от уровня
  • Фазосдвигающего конденсатора. Такой конденсатор необходим для пуска, а в некоторых случаях и работы однофазных асинхронных двигателей. Так же он может применяться для пуска и работы трехфазных асинхронных двигателей при питании от однофазного напряжения.
  • Аккумуляторов электрической энергии. В этом случае на обкладках конденсатора должно быть достаточно постоянное значения напряжения и тока разряда. При этом сам разряд должен быть значительным по времени. В настоящее время идут опытные разработки электромобилей и гибридов с применением конденсаторов. Так же существуют некоторые модели трамваев в которых конденсаторы применяются для питания тяговых электродвигателей при движении по обесточенным участкам.

См. также

Примечания

  1. «Курс Физики» профессора физико-математических наук А.Гано, перевод Ф.Павленко В.Черкасова, 1882 год.
  2. ГОСТ 2.728-74 (2002). Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 25 сентября 2009.
  3. Аббревиатура «MF» использовалась в то время для обозначения микрофарад; «MMF» употреблялась для микро-микрофрад = 10−12 Ф или пикофарад.

Литература

Ссылки

Конденсаторы. Что это и для чего они нужны.

Конденсатор – распространенное двухполюсное устройство, применяемое в различных электрических цепях. Он имеет постоянную или переменную ёмкость и отличается малой проводимостью, он способен накапливать в себе заряд электрического тока и передавать его другим элементам в электроцепи.
Простейшие примеры состоят из двух пластинчатых электродов, разделенных диэлектриком и накапливающих противоположные заряды. В практических условиях мы используем конденсаторы с большим числом разделенных диэлектриком пластин.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Назначение конденсатора и принцип его работы – это распространенные вопросы, которыми задаются новички в электротехнике. В электрических схемах данные устройства могут использоваться с различными целями, но их основной функцией является сохранение электрического заряда, то есть, такое устройство получает электрический ток, сохраняет его и впоследствии передает в цепь. Для лучшего понимания принципа работы посмотрите статью про то, как сделать простой конденсатор своими руками.


Заряд конденсатора начинается при подключении электронного прибора к сети. В момент подключения прибора на электродах конденсатора много свободного места, потому электрический ток, поступающий в цепь, имеет наибольшую величину. По мере заполнения, электроток будет уменьшаться и полностью пропадет, когда ёмкость устройства будет полностью наполнена.

В процессе получения заряда электрического тока, на одной пластине собираются электроны (частицы с отрицательным зарядом), а на другой – ионы (частицы с положительным зарядом). Разделителем между положительно и отрицательно заряженными частицами выступает диэлектрик, в качестве которого могут использоваться различные материалы.

В момент подключения электрического устройства к источнику питания, напряжение в электрической цепи имеет нулевое значение. По мере заполнения ёмкостей напряжение в цепи увеличивается и достигает величины, равной уровню на источнике тока.

При отключении электрической цепи от источника питания и подключении нагрузки, конденсатор перестает получать заряд и отдает накопленный ток другим элементам. Нагрузка образует цепь между его пластинами, потому в момент отключения питания положительно заряженные частицы начнут двигаться по направлению к ионам.

Начальный ток в цепи при подключении нагрузки будет равняться напряжению на отрицательно заряженных частицах, разделенному на величину сопротивления нагрузки. При отсутствии питания конденсатор начнет терять заряд и по мере убывания заряда в ёмкостях, в цепи будет снижаться уровень напряжения и величины тока. Этот процесс завершится только тогда, когда в устройстве не останется заряда.

На рисунке выше представлена конструкция бумажного конденсатора:
а) намотка секции;
б) само устройство.
На этой картинке:

1.    Бумага;

2.    Фольга;

3.    Изолятор из стекла;

4.    Крышка;

5.    Корпус;

6.    Прокладка из картона;

7.    Оберточная бумага;

8.    Секции.

Ёмкость конденсатора считается важнейшей его характеристикой, от него напрямую зависит время полной зарядки устройства при подключении прибора к источнику электрического тока. Время разрядки прибора также зависит от ёмкости, а также от величины нагрузки. Чем выше будет сопротивление R, тем быстрее будет опустошаться ёмкость конденсатора.

В качестве примера работы конденсатора можно рассмотреть функционирование аналогового передатчика или радиоприемника. При подключении прибора к сети, конденсаторы, подключенные к катушке индуктивности, начнут накапливать заряд, на одних пластинах будут собираться электроды, а на других – ионы. После полной зарядки ёмкости устройство начнет разряжаться. Полная потеря заряда приведет к началу зарядки, но уже в обратном направлении, то есть, пластины имевшие положительный заряд в этот раз будут получать отрицательный заряд и наоборот.

НАЗНАЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНДЕНСАТОРОВ

В настоящее время их используют практически во всех радиотехнических и различных электронных схемах.
В электроцепи переменного тока они могут выступать в качестве ёмкостного сопротивления. К примеру, при подключении конденсатора и лампочки к батарейке (постоянный ток), лампочка светиться не будет. Если же подключить такую цепь к источнику переменного тока, лампочка будет светиться, причем интенсивность света будет напрямую зависеть от величины ёмкости используемого конденсатора. Благодаря этим особенностям, они сегодня повсеместно применяются в цепях в качестве фильтров, подавляющих высокочастотные и низкочастотные помехи.

Конденсаторы также используются в различных электромагнитных ускорителях, фотовспышках и лазерах, благодаря способности накапливать большой электрический заряд и быстро передавать его другим элементам сети с низким сопротивлением, за счет чего создается мощный импульс.

Во вторичных источниках электрического питания их применяют для сглаживания пульсаций при выпрямлении напряжения.

Способность сохранять заряд длительное время дает возможность использовать их для хранения информации.

Использование резистора или генератора тока в цепи с конденсатором позволяет увеличить время заряда и разряда ёмкости устройства, благодаря чему эти схемы можно использовать для создания времязадающих цепей, не предъявляющих высоких требований к временной стабильности.

В светильниках применяется  для компенсации реактивной мощности.

 

 

Электрическая энергия, вырабатываемая генераторами электростанций, характеризуется их активной и реактивной мощностью. Активная мощность потребляется электроприемниками, преобразуясь в тепловую, механическую и другие виды энергии. Реактивная мощность характеризует электроэнергию, преобразуемую в энергию электрических и магнитных полей. В электрической сети и ее электроприемниках происходит процесс обмена энергией между электрическими и магнитными полями. Устройства, которые целенаправленно участвуют в этом процессе, называют источниками реактивной мощности(ИРМ). Такими устройствами могут быть не только генераторы электрических станций, но и синхронные компенсаторы, реакторы, конденсаторы, реактивной мощностью которых управляют по определенному закону регулирования с помощью специальных средств.

Реактивная мощность снижает эффективность использования всей энергосистемы, ее пытаются максимально снизить с помощью конденсаторных установок.

как работает и зачем нужен в цепи переменного и постоянного тока

Практически во всех электронных устройствах, от самых простых до высокотехнологичных, таких как материнские платы компьютеров, можно встретить один неизменно присутствующий элемент, являющийся пассивным компонентом. Но к сожалению, мало кто знает как устроен и для чего нужен конденсатор, и какие виды этого накопителя бывают.

Просто о сложном

Итак, это небольшое устройство для накопления электрического поля или заряда похоже на обычную банку, ту, в которой маринуют помидоры или хранят муку. Она точно так же в себе накапливает сухое вещество или жидкость, которую в неё поместят. Аналогия проста: по цепи бегут электроны, а на своей дороге встречают проводников, которые ведут их в «банку», где они и накапливаются, усиливая заряд.

Для того чтобы выяснить, много ли элекрончиков так можно собрать, и в какой момент накопление прекратится (банка лопнет), электрический процесс обычно сравнивают с водопроводом. Если представить трубу, в которой течёт вода, закачиваемая туда насосом, то где-то в центре трубопровода нужно вообразить мягкую мембрану, растягивающуюся под давлением жидкости. Очевидно, что она будет растягиваться до определённого предела, пока не разорвётся или, если попалась очень крепкая, не уравновесит силу насоса.

Такой пример показывает, как работает конденсатор, только мембрана заменяется электрическим полем, которое увеличивается по мере зарядки накопителя (работы насоса), уравновешивая напряжение источника питания. Очевидно, что этот процесс не бесконечный, и предельный заряд существует, по достижении которого «банка» выйдет из строя и перестанет выполнять свои функции.

Устройство и принцип работы

Конденсатор — устройство, состоящее из двух пластин (обкладок), имеющих между собой пустоту. Напряжение к нему подаётся через проводки, подсоединённые к пластинкам. Современные приборы, по сути, не сильно отличаются от макетов на уроках физики, они также состоят из диэлектрика и обкладок. Следует отметить, что именно вещество или его отсутствие (вакуум), плохо проводящее электричество, изменяет характеристики накопителя.

Суть принципа работы конденсатора проста: дали напряжение, и заряд начал накапливаться. Для примера следует рассмотреть как ведёт себя накопитель в двух вариантах электрической цепи:

  • Постоянный ток. Если в цепь с подключённым к ней конденсатором подать ток, то можно увидеть, что стрелка на амперметре начнёт двигаться, а потом быстро вернётся в исходное положение. Это объясняется просто: устройство быстро зарядилось, то есть источник питания был уравновешен обкладками накопителя, и тока не стало. Поэтому часто говорят, что в условиях постоянного тока конденсатор не работает. Такое утверждение неправильное, всё функционирует, но очень непродолжительное время.
  • Переменный ток — это когда электроны двигаются сначала в одну, а затем в другую сторону. Если представить такую цепь с подключённым к ней накопителем, то на обеих обкладках конденсатора будут попеременно накапливаться положительные и отрицательные заряды. Это говорит о том, что переменный ток свободно протекает через устройство.

Поскольку конденсатор задерживает постоянный ток, но пропускает переменный, отсюда формируются и сферы его назначения, например, для устройств, в которых нужно убрать постоянную составляющую в сигнале. Вполне очевидно, что накопитель обладает сопротивлением, а вот мощность на нём не выделяется, поэтому он не греется.

Основные виды

Рядовой пользователь не всегда знает о том, каким конденсатором снабжено его устройство. А ведь каждый вид имеет свои недостатки и преимущества, а также эксплуатационные особенности. Существуют две большие группы этих устройств, предназначенные для электрической цепи с переменным и постоянным током. Но всё-таки основная классификация ведётся по типу диэлектрика, который находится между облатками конденсатора. Основные виды:

  • Керамические. Имеют маленький размер, малый ток утечки и небольшую индуктивность. Отлично работают в условиях высоких частот, в цепях пульсирующего, постоянного и переменного тока. Представлены в различном диапазоне напряжений и ёмкостей, в зависимости от того, для чего конденсатор предназначен.
  • Слюдяные. В настоящее время почти не используются и не выпускаются. В накопителях такого типа диэлектриком служит слюда. Рабочее напряжение таких конденсаторов в диапазоне — 200−1500 В.
  • Бумажные. В алюминиевых облатках заключена конденсаторная бумага. Выдерживают напряжение 160−1500 В.
  • Полиэстеровые. Максимальная ёмкость не превышает 15 мФ, рабочее напряжение — 50−1500 В.
  • Полипропиленовые. Выгодно выделяются на фоне остальных собратьев двумя преимуществами. Первое — маленький допуск ёмкости (+/- 1%), второе — до 3 кВ рабочего напряжения.

Отдельно стоит отметить электролитические конденсаторы. Главное их отличие от других видов — подключения только к цепи постоянного или пульсирующего тока. Такие накопители имеют полярность — это особенность их конструкции, поэтому неправильное подключение ведёт к вздутию или взрыву устройства. Они обладают большой ёмкостью, что делает конденсатор электролитический пригодным для применения в выпрямительных цепях.

Сферы применения

Можно смело сказать, что конденсаторы используют практически во всех электронных и радиотехнических схемах. Чтобы иметь представление о том, где и зачем нужен конденсатор, следует вспомнить его способность сохранять заряд и разряжаться в нужное время, а также пропускать переменный ток и не пропускать постоянный. А это значит, что такие устройства используются во многих технических сферах, например:

  • телефонии;
  • в производстве счётных и запоминающих устройств;
  • автоматике;
  • при создании измерительных приборов и многих других.

Электрические накопители можно встретить как в телевизорах, так и в приборах радиолокации, где необходимо формировать импульс большой мощности, для чего и служит конденсатор. Невозможно встретить блок питания без этих устройств или сетевой фильтр.

Нужно сказать, что накопители применяют и в сферах, не связанных с электрикой, например, в производстве металла и добыче угля, где используют конденсаторные электровозы.

| Fluke

Talk to a Fluke sales expert

Связаться с Fluke по вопросам обслуживания, технической поддержки и другим вопросам»

What is your favorite color?

Имя *

Фамилия *

Электронная почта *

Компания *

Номер телефона *

Страна * — Пожалуйста, выберите значение -United States (Estados Unidos)CanadaAfghanistanAlbaniaAlgeriaAmerican SamoaAndorraAngolaAnguillaAntarticaAntigua and BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosБеларусь (Belarus)Belgien/Belgique (Belgium)BelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBonaireBosnia and HerzegovinaBouvet IslandBotswanaBrasil (Brazil)British Indian Ocean TerritoryBrunei DarussalamBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCape VerdeCayman IslandsCentral African RepublicČeská republika (Czech Republic)ChadChile中国 (China)Christmas IslandCittà Di VaticanCocos (Keeling) IslandsCook IslandsColombiaComorosCongoThe Democratic Republic of CongoCosta RicaCroatiaCyprusCôte D’IvoireDanmark (Denmark)Deutschland (Germany)DjiboutiDominicaEcuadorEgyptEl SalvadorEquatorial GuineaEritreaEspaña (Spain)EstoniaEthiopiaFaroese FøroyarFijiFranceFrench Southern TerritoriesFrench GuianaGabonGambiaGeorgiaGhanaGilbralterGreeceGreenlandGrenadaGuatemalaGuadeloupeGuam (USA)GuineaGuinea-BissauGuyanaHaitiHeard Island and McDonald IslandsHondurasHong KongHungaryIcelandIndiaIndonesiaIraqIrelandIsraelIslas MalvinasItalia (Italy)Jamaica日本 (Japan)JordanKazakhstanKenyaKiribati대한민국 (Korea Republic of)KuwaitKyrgyzstanLaosLatviaLebanonLesothoLiberiaLibyaLiechtensteinLithuaniaLuxembourgMacaoMacedoniaMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMéxico (Mexico)MicronesiaMoldovaMonacoMongoliaMontenegroMonserratMoroccoMozambiqueMyanmarNamibiaNauruNederland (Netherlands)Netherlands AntillesNepalNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorge (Norway)Norfolk IslandNorthern Mariana IslandsOmanÖsterreich (Austria)PakistanPalauPalestinePanamaPapua New GuineaParaguayPerú (Peru)PhilippinesPitcairn IslandPuerto RicoРоссия (Russia)Polska (Poland)Polynesia (French)PortugalQatarRepública Dominicana (Dominican Republic)RéunionRomânia (Romania)RwandaSaint HelenaSaint Pierre and MiquelonSaint Kitts and NevisSaint LuciaSaint Vincent and The GrenadinesSan MarinoSao Tome and PrincipeSaudi ArabiaSchweiz (Switzerland)SenegalSerbiaSeychellesSierra LeoneSingaporeSlovakiaSloveniaSolomon IslandsSomaliaSouth AfricaSouth Georgia and The South Sandwich IslandsSouth SudanSri LankaSudanSuomi (Finland)SurinameSvalbard and Jan MayenSverige (Sweden)SwazilandTaiwanTajikistanTanzaniaThailandTimor-LesteTokelauTogoTongaTrinidad and TobagoTunisiaTürkiye (Turkey)TurkmenistanTurks and Caicos IslandsTuvaluUgandaUkraineUnited Arab EmiratesUnited KingdomUnited States Minor Outlying IslandsUruguayUzbekistanVanuatuVirgin Islands (British)Virgin Islands (USA)VenezuelaVietnamWallis and FutunaWestern SaharaWestern SamoaYemenZambiaZimbabwe

Почтовый индекс *

Интересующие приборы

iGLastMSCRMCampaignID

?Отмечая галочкой этот пункт, я даю свое согласие на получение маркетинговых материалов и специальных предложений по электронной почте от Fluke Electronics Corporation, действующей от лица компании Fluke Industrial или ее партнеров в соответствии с политикой конфиденциальности.

consentLanguage

Политика конфиденциальности

Электроемкость конденсатора — формула и определение

Электроемкость проводников

Проводники умеют не только проводить через себя электрический ток, но и накапливать заряд. Эта способность характеризуется таким параметром, как электроемкость.

Электроемкость

C = q/φ

С — электроемкость [Ф]

q — электрический заряд [Кл]

φ — потенциал [В]

Конденсаторы

Способность накапливать заряд — полезная штука, поэтому люди придумали конденсаторы. Это такие устройства, которые помогают применять электрическую емкость проводников в практических целях.

Конденсатор состоит из двух или более проводящих пластин (обкладок), разделенных диэлектриком. Между проводящими пластинами образуется электрическое поле, все силовые линии которого идут от одной обкладки к другой.

Зарядка конденсатора — это процесс накопления заряда на двух его обкладках. Заряды на них равны по величине и противоположны по знаку.

Электроемкость конденсатора измеряется отношением заряда на одной из обкладок к разности потенциалов между обкладками:

Электроемкость конденсатора

C = q/U

С — электроемкость [Ф]

q — электрический заряд [Кл]

U — напряжение (разность потенциалов) [В]

По закону сохранения заряда, если обкладки заряженного конденсатора соединить проводником, то заряды нейтрализуются, переходя с одной обкладки на другую. Так происходит разрядка конденсатора.

Любой конденсатор имеет предел напряжения. Если оно окажется слишком большим, то случится пробой диэлектрика, то есть разрядка произойдет прямо сквозь диэлектрик. Такой конденсатор больше работать не будет.

Виды конденсаторов

Особенность электроемкости в том, что она зависит от формы проводника. Для каждого вида проводников есть своя формула расчета электроемкости.

Проще всего вычислить электроемкость плоского конденсатора. Плоский конденсатор состоит из двух металлических пластин, между которыми помещают диэлектрическое вещество.

Электроемкость плоского конденсатора

— электроемкость [Ф]

— относительная диэлектрическая проницаемость среды [—]

— электрическая постоянная

Ф/м

— площадь пластин [м2]

— расстояние между пластинами [м]

Самый популярный конденсатор — цилиндрический. Он состоит из двух металлических цилиндров, вложенных друг в друга, и диэлектрика, которым заполнено пространство между ними. Рассмотрим формулу электроемкости такого конденсатора.

Электроемкость цилиндрического конденсатора

— электроемкость [Ф]

— относительная диэлектрическая проницаемость среды [—]

— электрическая постоянная

Ф/м

— длина цилиндров [м]

— радиусы цилиндров [м]

— функция натурального логарифма, которая зависит от радиусов цилиндров

Сферический конденсатор состоит из двух проводящих сфер, вложенных друг в друга, и непроводящей жидкости, которой заполнено пространство между ними.

Электроемкость сферического конденсатора

— электроемкость [Ф]

— относительная диэлектрическая проницаемость среды [—]

— электрическая постоянная

Ф/м

— радиусы сфер [м]

Подытожим все, что узнали, на картинке-шпаргалке:

Энергия конденсатора

У конденсатора, как и у любой системы заряженных тел, есть энергия. Чтобы зарядить конденсатор, необходимо совершить работу по разделению отрицательных и положительных зарядов. По закону сохранения энергии эта работа будет как раз равна энергии конденсатора.

Доказать, что заряженный конденсатор обладает энергией, несложно. Для этого понадобится электрическая цепь, содержащая в себе лампу накаливания и конденсатор. При разрядке конденсатора вспыхнет лампа — это будет означать, что энергия конденсатора превратилась в тепло и энергию света.

Чтобы вывести формулу энергии плоского конденсатора, нам понадобится формула энергии электростатического поля.

Энергия электростатического поля

Wp = qEd

Wp — энергия электростатического поля [Дж]

q — электрический заряд [Кл]

E — напряженность электрического поля [В/м]

d — расстояние от заряда [м]

В случае с конденсатором d будет представлять собой расстояние между пластинами.

Заряд на пластинах конденсатора равен по модулю, поэтому можно рассматривать напряженность поля, создаваемую только одной из пластин.

Напряженность поля одной пластины равна Е/2, где Е — напряженность поля в конденсаторе.

В однородном поле одной пластины находится заряд q, распределенный по поверхности другой пластины.

Тогда энергия конденсатора равна:

Wp = qEd/2

Разность потенциалов между обкладками конденсатора можно представить, как произведение напряженности на расстояние:

U = Ed

Поэтому:

Wp = qU/2

Эта энергия равна работе, которую совершит электрическое поле при сближении пластин.

Заменив в формуле разность потенциалов или заряд с помощью выражения для электроемкости конденсатора C = q/U, получим три различных формулы энергии конденсатора:

Энергия конденсатора

Wp = qU/2

Wp — энергия электростатического поля [Дж]

q — электрический заряд [Кл]

U — напряжение на конденсаторе [В]

Энергия конденсатора

Wp = q2/2C

Wp — энергия электростатического поля [Дж]

q — электрический заряд [Кл]

C — электроемкость конденсатора [Ф]

Энергия конденсатора

Wp = CU2/2

Wp — энергия электростатического поля [Дж]

C — электроемкость конденсатора [Ф]

U — напряжение на конденсаторе [В]

Эти формулы справедливы для любого конденсатора.

Применение конденсаторов

Конденсатор есть в каждом современном устройстве. Разберем два самых наглядных примера.

Пример раз — вспышка

Без конденсатора вспышка в фотоаппарате работала бы не так, как мы привыкли, а с большими задержками, и к тому же быстро разряжала бы аккумулятор. Конденсатор в этом случае работает как батарейка. Он накапливает заряд от аккумулятора и хранит его до востребования. Когда нам нужна вспышка, конденсатор разряжается, чтобы она сработала и вылетела птичка.

Пример два — тачскрин

Тачскрин на телефоне работает по принципу, схожему с конденсатором. В самом смартфоне, конечно, тоже есть множество конденсаторов, но этот принцип куда интереснее.

Дело в том, что тело человека тоже умеет проводить электричество — у него даже есть сопротивление и электроемкость. Так что можно считать человеческий палец пластиной конденсатора — тело же проводник, почему бы и нет. Но если поднести палец к металлической пластине, получится плохой конденсатор.

В экран телефона встроена матрица из микроскопических пластинок. Когда мы подносим палец к одной из них, получается своего рода конденсатор. Когда перемещаем палец ближе к другой пластинке — еще один конденсатор. Телефон постоянно проверяет пластинки, и если обнаруживает, что у какой-то из них внезапно изменилась электроемкость, значит, рядом есть палец. Координаты пластинки с изменившейся электроемкостью передаются операционной системе телефона, а она уже решает, что с этими координатами делать.

Кстати, то же самое можно проделать, если взять обычную сосиску и поводить ей по экрану смартфона. Тачскрин будет реагировать на все контакты, как реагирует на человеческий палец.

Это не единственный вариант реализации тачскрина, но один из лучших на сегодняшний день. В айфоне используется именно он.

Изучать физику на примерах из реальной жизни может быть очень даже интересно. Попробуйте и убедитесь сами на классическом курсе по физике для 10 класса.

Конденсатор | 7+ важных типов конденсаторов

Contents [show]

> Конденсатор — определения и обзор

> Теория работы

> Конденсатор в цепи постоянного тока

> Конденсатор в цепи переменного тока

> Конденсатор последовательно

> Конденсаторы параллельно

> Типы конденсаторов

> Приложения

> Часто задаваемые вопросы по конденсаторам

Конденсатор — определения и обзор

Конденсатор — одно из важнейших пассивных устройств, способных накапливать электрическую энергию. Это двухконтактное устройство. емкость известен как эффект конденсатора.

В 1704 году были обновлены древние формы конденсатора. Европейский эксперимент тогда обнаружил, что электрический заряд может сохраняться в стакане, наполненном водой. Позже в 1745 году Эвальд Георг из Германии обнаружил, что последовательно включенные высоковольтные электростатические генераторы могут хранить эту сумму. Раньше конденсаторы назывались конденсаторами или конденсаторами. Алессандро Вольта ввел термин в употребление в 1782 году. Термин «конденсатор» появился в 1926 году.

Типов конденсаторов очень много. Конденсаторы имеют не менее двух проводников в виде плоской металлической поверхности, разделенных диэлектрическими материалами. Проводником может быть электролит, фольга, тонкая пленка и т. Д. Непроводник — это диэлектрическое вещество, увеличивающее зарядную емкость конденсатора. В качестве диэлектрика для конденсатора используются такие материалы, как воздух, полиэтиленовая пленка, бумага, слюда, керамика.

Когда к клеммам конденсатора прикладывается внешнее напряжение, на диэлектрическом материале создается электрическое поле. Таким образом, положительный заряд собирается на одной пластине, а отрицательный — на другой шкале. Конденсаторы используются практически во всех электрических и электронных схемах. Разница между резистором и конденсатором заключается в том, что резистор рассеивает энергию, а идеальный конденсатор — нет.

Теория Операции

Как упоминалось ранее, конденсатор имеет два проводника, разделенных диэлектрической средой. Конденсатор работает по принципу закона Кулона. Закон Кулона гласит:

Таким образом, заряд на одном проводнике будет генерировать силу на носителе другого проводника, которая дополнительно притягивает заряды противоположной полярности и вызывает колебания зарядов того же типа. Так индуцируется заряд противоположной полярности на поверхности другого проводника.

Оба проводника содержат одинаковое количество зарядов, а диэлектрический материал создает электрическое поле.

Емкость и единицы измерения емкости:

Емкость стандартного конденсатора определяется как отношение заряда проводника к напряжению на проводниках.

С = Q / В

C — емкость, Q — заряд на поверхности каждого проводника, а V — напряжение между двумя проводниками.

Единица измерения емкости в системе СИ — Фарад (Ф)..

Емкость в один фарад определяется как величина емкости, которую конденсатор может генерировать, если к каждому проводнику, имеющему напряжение в один вольт, приложить один кулон заряда.

В практических устройствах емкость определяется как:

С = dQ / dВ

* Большинство конденсаторов, доступных на рынке, имеют емкость в микрофарадах.

Конденсатор может вести себя по-разному в разное время, если он находится в активной электрической цепи. Его поведение можно охарактеризовать как длительным, так и коротким сроком.

Длительная эквивалентность конденсатора действует как конфигурация разомкнутой цепи (ток не проходит).

Кратковременный эквивалент конденсаторов действует как конфигурация короткого замыкания.

V (t) = Q (t) / C = (1 / C) * [∫t0t I (τ) dτ] + V (t0)

Взяв производные, получаем —

I (t) = dQ (t) / dt = C * [dV (t) / dt]

Символ конденсатора

Доступны разные типы конденсаторов. Для их представления также используются различные типы символов. Некоторые из них представлены ниже в виде диаграмм. Они очень полезны для описания схемы.

Различные символы для обозначения конденсатора

Конденсатор в цепи постоянного тока

Давайте обсудим схему постоянного тока, в которой конденсатор и резистор включены последовательно с источником постоянного напряжения — V0.

Предположим, что конденсатор ранее не был заряжен, а разомкнутый переключатель замкнут в момент t0.

Из закона напряжения Кирхгофа мы можем написать:

Во = ВR (т) + ВC (Т)

VR (t) — напряжение на резисторе R в момент времени t, а VC (t) — измеренное напряжение на конденсаторе схемы в момент времени t.

Vo = i (t) * R + (1 / C) * [∫t0 t I (τ) dτ]

Взяв производную с обеих сторон, получим —

RC * [di (t) / dt] + i (t) = 0

В момент t, скажем, это ноль. Напряжение резистора VXNUMX и конденсатора равно нулю.

В то время ток был бы — Io = Vo / R. Теперь решая дифференциальные уравнения —

I (t) = (Vo / R) * e (-т/т0)

V (t) = Vo (1 — e (-т/т0))

τ0 = РК.

Это называется «постоянной времени» схемы.

Конденсатор в цепи переменного тока

В цепи переменного тока конденсатор создает импеданс, который представляет собой векторную сумму сопротивления и реактивного сопротивления. Полное сопротивление и реактивное сопротивление конденсатора выражаются следующими выражениями.

Реактивное сопротивление = X = — 1 / ωC = — 1 / 2πfC

Импеданс = Z = 1 / jωC = — j / ωC = —j / 2πfC

Здесь ω — угловая частота; j мнимая единица.

Импеданс обратно пропорционален емкости. Увеличение емкости и частоты вызывает уменьшение импеданса и наоборот.

Q-фактор:

Q-фактор или коэффициент качества конденсатора определяется как отношение реактивного сопротивления к его сопротивлению. Коэффициент q является мерой эффективности. Формулу можно записать как —

Q = Хc / R = 1 / ωCR

ω — угловая частота, C — емкость конденсатора, Xc — реактивное сопротивление, R — эквивалентное сопротивление.

Конденсатор в серии

На схеме представлены конденсаторы в последовательном соединении. Это показывает, что вместо площади пластины добавлено расстояние разделения. Серия емкости действует как конденсатор меньше, чем любой из ее компонентов.

Последовательное соединение конденсаторов

Эквивалентная емкость данного соединения —

1 / Ceq = ∑ 1 / Сi = 1 / С1 + 1 / С2 +… + 1 / Cn

Конденсаторы параллельно

На схеме представлены конденсаторы, включенные параллельно. На каждый конденсатор подается одинаковое напряжение. Здесь складываются емкости конденсаторов. Подключение емкости действует как сумматор.

Параллельное соединение конденсаторов

Эквивалентная емкость —

Ceq = ∑ Сi = C1 + C2 +… + Cn

Типы конденсаторов

На рынке доступно огромное количество типов конденсаторов, основанных на многочисленных классификационных параметрах. Тип диэлектрического материала, упаковка устройства и структура пластин являются одними из определяющих факторов для классификации типов конденсаторов.

Диэлектрический материал

Практически все типы конденсаторов имеют диэлектрическое вещество. Между двумя проводниками помещаются диэлектрические вещества, емкость заряда может быть увеличена. Лучше всего использовать материал с высокой диэлектрической проницаемостью или высоким пробивным напряжением в качестве диэлектрического материала.

Доступны различные диэлектрические материалы, такие как бумага, пластик, слюда, керамика, стекло, воздух и т. Д.

На основе диэлектрических материалов некоторые типы конденсаторов:

Есть и другие типы, некоторые типы конденсаторов —

  • Конденсатор, зависящий от напряжения
  • Частотно-зависимый конденсатор
  • Параллельный пластинчатый конденсатор
  • Конденсатор развязки

Применение конденсаторов

Конденсаторы — одно из необходимых устройств, которые требуются почти для каждой электрической цепи. Он имеет множество приложений в различных областях. Некоторые из самых важных — 

Energy Storage

Конденсатор имеет свойство заряжаться и разряжаться. Он может накапливать энергию, когда он отключен от источника зарядки. Используя это свойство, конденсаторы можно использовать как аккумулятор или аккумулятор.

Суперконденсаторы могут принимать и заряжать быстрее, чем обычные батареи, и выдерживать более значительное количество циклов зарядки и разрядки, чем стандартные аккумуляторные батареи. Но он более обширный.

Количество заряда, накопленного в диэлектрическом слое, равно или превышает заряд, накопленный в пластине конденсатора.

Импульсная мощность

Конденсаторы используются в импульсных системах питания. В основном здесь используются группы больших, преимущественно сконструированных, конденсаторов высокого напряжения и малой индуктивности.

Блоки конденсаторов также используются в источниках питания для получения плавных выходных сигналов в полуволновом или двухполупериодном выпрямителях. Накопительные конденсаторы могут использоваться для зарядки насосных цепей.

Промышленное использование

Это помогает отвести и скрыть колебания тока от первичного источника, чтобы обеспечить чистый источник питания для цепей управления. Аудиосхемы также используют несколько конденсаторов.

Связь и развязка сигналов

Конденсаторы пропускают сигнал переменного тока, но блокируют сигналы постоянного тока. Вот почему конденсаторы используются для разделения цепей переменного тока. Этот процесс известен как «связь по переменному току» или «емкостная связь».

Разделительный конденсатор защищает одну область схемы от другой. Они используются в заземлениях. Они также известны как байпасный конденсатор. Разделительные конденсаторы используются для смещения транзисторов.

Память

Динамическая цифровая память для двоичных компьютеров может быть создана с использованием конденсаторов.

50 MCQ с ответными конденсаторами. Кликните сюда!

О судипте Рой

Я энтузиаст электроники и в настоящее время занимаюсь электроникой и коммуникациями.
Я очень заинтересован в изучении современных технологий, таких как искусственный интеллект и машинное обучение.
Мои статьи посвящены предоставлению точных и обновленных данных всем учащимся.
Мне доставляет огромное удовольствие помогать кому-то в получении знаний.

Подключимся через LinkedIn — https://www.linkedin.com/in/sr-sudipta/

Урок 28. электрическая ёмкость. конденсатор — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 28. Электрическая ёмкость. Конденсатор

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

  1. Электрическая ёмкость
  2. Плоский конденсатор
  3. Энергия конденсатора

Глоссарий по теме:

Конденсатор – устройство для накопления электрического заряда.

Электроёмкостью конденсатора называют физическую величину, численно равную отношению заряда, одного из проводников конденсатора к разности потенциалов между его обкладками.

Под зарядом конденсатора понимают модуль заряда одной из его обкладок.

Последовательное соединение – электрическая цепь не имеет разветвлений. Все элементы цепи включают поочередно друг за другом. При параллельном соединении концы каждого элемента присоединены к одной и той же паре точек.

Смешанное соединение — это такое соединение, когда в цепи присутствует и последовательное, и параллельное соединение.

Энергия конденсатора прямо пропорциональна квадрату напряжённости электрического поля внутри его:

Для любых конденсаторов энергия равна половине произведения электроёмкости и квадрата напряжения.

Основная и дополнительная литература по теме:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. С. 321-330.

2. Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.- М.:Дрофа,2009. С. 97-100.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Конденсатор при переводе с латиницы означает, то что уплотняет, сгущает – устройство, предназначенное для накопления зарядов энергии электрического поля. Конденсатор состоит из двух одинаковых параллельных пластин, находящихся на малом расстоянии друг от друга. Главной характеристикой этого прибора, является его электроёмкость, которая зависит от площади его пластин, расстояния между ними и свойств диэлектрика.

Заряд конденсатора определяется – модулем заряда на любой одной из её обкладок. Заряд конденсатора прямо пропорционален напряжению между обкладками конденсатора. Коэффициент пропорциональности С называется электрической ёмкостью, электроёмкостью или просто ёмкостью конденсатора.

Электрической ёмкостью конденсатора называется физическая величина, которая численно равна отношению заряда, одного из проводников конденсатора к разности потенциалов между его обкладками.

Чем больше площадь проводников и чем меньше пространство заполняющего диэлектриком, тем больше увеличивается ёмкость обкладок конденсатора.

Измеряется электрическая ёмкость в Международной системе СИ в Фарадах. Эта единица имеет своё название в честь английского физика экспериментатора Майкла Фарадея который внёс большой вклад в развитие теории электромагнетизма. Один Фарад равен ёмкости такого конденсатора, между пластинами которого возникает напряжение, равное одному Вольту, при сообщении заряда в один Кулон.

Электрическая ёмкость конденсаторов определяется их конструкцией, самыми простыми из них являются плоские конденсаторы.

Чем больше площадь взаимного перекрытия обкладок и чем меньше расстояние между ними, тем значительнее будет увеличение ёмкости обкладок конденсатора. При заполнении в пространство между обкладками стеклянной пластины, электрическая ёмкость конденсатора значительно увеличивается, получается, что она зависит от свойств используемого диэлектрика.

Электрическая ёмкость плоского конденсатора зависит от площади его обкладок, расстояния между ними, диэлектрической проницаемости диэлектрика, заполняющего пространство между обкладками и определяется по формуле:

где – электрическая постоянная.

Для того чтобы получить необходимую определённую ёмкость, берут несколько конденсаторов и собирают их в батарею применяя при этом параллельное, последовательное или смешанное соединения.

Параллельное соединение:

q = q1 + q2 + q3

u = u1 = u2 = u3

с = с123

с = n∙с

Последовательное соединение:

q = q1 = q2 = q3

u = u1 + u2 + u3

Энергия конденсатора равна половине произведения заряда конденсатора напряжённости поля и расстояния между пластинами конденсатора: u = Еd

Эта энергия равна работе, которую совершит электрическое поле при сближении пластин, это поле совершает положительную работу. При этом энергия электрического поля уменьшается:

Для любых конденсаторов энергия равна половине произведения электроёмкости и квадрата напряжения:

Примеры и разбор решения заданий:

1. Плоский конденсатор, расстояние между пластинами которого равно 3 мм, заряжен до напряжения 150 В и отключен от источника питания. Разность потенциалов между пластинами возросла до 300 В.

  1. Во сколько раз увеличилась разность потенциалов между пластинами?
  2. Какое расстояние между пластинами конденсатора стало после того, как пластины были раздвинуты?
  3. Во сколько раз изменилось расстояние между пластинами.

Решение:

Электрическая ёмкость конденсатора определяется по формуле:

1.По условию разность потенциалов увеличилось в два раза. U1 = 150В→ U2 = 300В.

2.По условию d = 3 мм, если разность потенциалов увеличилось в два раза, по формуле соответственно и расстояние между пластинами увеличилось в два раза, и d =2·3 мм = 6 мм.

3.Расстояние между пластинами увеличилось в два раза.

Ответ:

1. 2

2. 6мм

3. 2

2. Конденсатор электроёмкостью 20 мкФ имеет заряд 4 мкКл. Чему равна энергия заряженного конденсатора?

Дано: С = 20 мкФ = 20 · 10-6 Ф, q = 4 мкКл = 4·10-6 Кл.

Найти: W.

Решение:

Энергия заряженного конденсатора W через заряд q и электрическую ёмкость С определяется по формуле:

Ответ: W = 0,4 мкДж.

Электрические поля и емкость | Конденсаторы

Введение

Всякий раз, когда между двумя отдельными проводниками существует электрическое напряжение, в пространстве между этими проводниками присутствует электрическое поле. В базовой электронике мы изучаем взаимодействия напряжения, тока и сопротивления, поскольку они относятся к цепям, которые представляют собой проводящие пути, по которым могут перемещаться электроны. Однако когда мы говорим о полях, мы имеем дело с взаимодействиями, которые могут распространяться на пустое пространство.

Правда, понятие «поле» несколько абстрактно. По крайней мере, с электрическим током не так уж сложно представить крошечные частицы, называемые электронами, движущимися между ядрами атомов внутри проводника, но «поле» даже не имеет массы и вообще не должно существовать внутри материи. .

Несмотря на его абстрактный характер, почти каждый из нас имеет непосредственный опыт работы с полями, по крайней мере, в виде магнитов. Вы когда-нибудь играли с парой магнитов, замечая, как они притягиваются или отталкиваются друг от друга в зависимости от их взаимной ориентации? Между парой магнитов существует неоспоримая сила, и эта сила не имеет «субстанции».Он не имеет ни массы, ни цвета, ни запаха, и если бы не физическая сила, действующая на сами магниты, он был бы совершенно неощутим для нашего тела. Физики описывают взаимодействие магнитов с точки зрения магнитных полей в пространстве между ними. Если железные опилки поместить рядом с магнитом, они ориентируются по линиям поля, визуально указывая на его присутствие.

Электрические поля

Предметом этой главы являются электрические поля (и устройства, называемые конденсаторами, которые их используют), а не магнитные поля, но есть много общего.Скорее всего, вы тоже сталкивались с электрическими полями. Глава 1 этой книги началась с объяснения статического электричества и того, как такие материалы, как воск и шерсть, при трении друг о друга вызывают физическое притяжение. Опять же, физики описали бы это взаимодействие с точки зрения электрических полей, создаваемых двумя объектами в результате дисбаланса их электронов. Достаточно сказать, что всякий раз, когда между двумя точками существует напряжение, в пространстве между этими точками будет проявляться электрическое поле.

Сила поля и поток поля

Поля имеют две меры: поле сила и поле поток . Поле сила — это величина «толчка», который оказывает поле на определенном расстоянии . Поле поток является полной величиной или эффектом поля в пространстве . Сила поля и поток примерно аналогичны напряжению («толчок») и току (потоку) через проводник соответственно, хотя поток поля может существовать в совершенно пустом пространстве (без движения частиц, таких как электроны), тогда как ток может иметь место только где есть свободные электроны для движения.Потоку поля можно противодействовать в пространстве так же, как потоку электронов можно противодействовать сопротивлением. Величина потока поля, который будет развиваться в космосе, пропорциональна величине приложенной силы поля, деленной на величину противодействия потоку. Точно так же, как тип проводящего материала определяет удельное сопротивление проводника электрическому току, тип изоляционного материала, разделяющего два проводника, определяет конкретное сопротивление потоку поля.

Обычно электроны не могут войти в проводник, если нет пути для выхода такого же количества электронов (помните аналогию с шариком в трубе?).Вот почему проводники должны быть соединены вместе по круговой траектории (цепи) для возникновения постоянного тока. Однако, как ни странно, лишние электроны могут быть «втиснуты» в проводник без пути к выходу, если позволить электрическому полю развиться в пространстве относительно другого проводника. Количество дополнительных свободных электронов, добавляемых к проводнику (или удаляемых свободных электронов), прямо пропорционально величине потока поля между двумя проводниками.

Электрическое поле конденсаторов

Конденсаторы — это компоненты, предназначенные для использования преимущества этого явления путем размещения двух проводящих пластин (обычно металлических) в непосредственной близости друг от друга.Существует множество различных типов конструкций конденсаторов, каждый из которых подходит для определенных номиналов и целей. Для очень маленьких конденсаторов будет достаточно двух круглых пластин, зажатых между изоляционным материалом. Для конденсаторов большей емкости «пластины» могут представлять собой полоски металлической фольги, зажатые вокруг гибкого изолирующего материала и скрученные для компактности. Самые высокие значения емкости достигаются при использовании слоя изолирующего оксида микроскопической толщины, разделяющего две проводящие поверхности. В любом случае, однако, общая идея та же: два проводника, разделенных изолятором.

Схематическое обозначение конденсатора довольно простое и представляет собой немногим более двух коротких параллельных линий (представляющих пластины), разделенных промежутком. Провода прикрепляются к соответствующим пластинам для подключения к другим компонентам. Старое, устаревшее схематическое обозначение конденсаторов изображало чередующиеся пластины, что на самом деле является более точным способом представления реальной конструкции большинства конденсаторов:

.

Когда к двум пластинам конденсатора приложено напряжение, между ними создается концентрированный поток поля, что позволяет создать значительную разницу свободных электронов (заряд) между двумя пластинами:

Поскольку электрическое поле создается приложенным напряжением, лишние свободные электроны вынуждены собираться на отрицательном проводнике, в то время как свободные электроны «отбираются» у положительного проводника.Этот дифференциальный заряд соответствует запасу энергии в конденсаторе, представляющему собой потенциальный заряд электронов между двумя пластинами. Чем больше разница электронов на противоположных пластинах конденсатора, тем больше поток поля и тем больший «заряд» энергии будет хранить конденсатор.

Поскольку конденсаторы хранят потенциальную энергию накопленных электронов в виде электрического поля, они ведут себя в цепи совершенно иначе, чем резисторы (которые просто рассеивают энергию в виде тепла).Накопление энергии в конденсаторе зависит от напряжения между пластинами, а также от других факторов, которые мы обсудим позже в этой главе. Способность конденсатора накапливать энергию в зависимости от напряжения (разность потенциалов между двумя выводами) приводит к стремлению поддерживать напряжение на постоянном уровне. Другими словами, конденсаторы имеют тенденцию сопротивляться изменениям напряжения. Когда напряжение на конденсаторе увеличивается или уменьшается, конденсатор «сопротивляется» изменению, потребляя ток или подавая ток к источнику изменения напряжения в противовес изменению.

Чтобы накопить больше энергии в конденсаторе, необходимо увеличить напряжение на нем. Это означает, что больше электронов должно быть добавлено к (-) пластине и больше отведено от (+) пластины, что требует наличия тока в этом направлении. И наоборот, чтобы высвободить энергию из конденсатора, необходимо уменьшить напряжение на нем. Это означает, что некоторые из избыточных электронов на (-) пластине должны быть возвращены на (+) пластину, что требует наличия тока в другом направлении.

Подобно тому, как первый закон движения Исаака Ньютона («движущийся объект имеет тенденцию оставаться в движении; объект в состоянии покоя стремится оставаться в покое») описывает тенденцию массы сопротивляться изменениям скорости, мы можем сформулировать тенденцию конденсатора противодействовать изменениям напряжения как таковым: «Заряженный конденсатор имеет тенденцию оставаться заряженным; разряженный конденсатор имеет тенденцию оставаться разряженным.Гипотетически, конденсатор, оставленный нетронутым, будет неопределенно долго поддерживать любое состояние заряда напряжения, в котором он был оставлен. Только внешний источник (или сток) тока может изменить заряд напряжения, хранящийся в идеальном конденсаторе:

На практике, однако, конденсаторы в конечном итоге потеряют свой запас напряжения из-за внутренних путей утечки электронов, перетекающих с одной пластины на другую. В зависимости от конкретного типа конденсатора время, необходимое для саморассеяния заряда накопленного напряжения, может составлять длинных раз (несколько лет с конденсатором, лежащим на полке!).

Когда напряжение на конденсаторе увеличивается, он потребляет ток от остальной цепи, действуя как силовая нагрузка. Говорят, что в этом состоянии конденсатор заряжается , потому что в его электрическом поле накапливается все больше энергии. Обратите внимание на направление электронного тока относительно полярности напряжения:

И наоборот, когда напряжение на конденсаторе уменьшается, конденсатор подает ток на остальную часть цепи, действуя как источник питания.Говорят, что в этом состоянии конденсатор разряжается . Его запас энергии, удерживаемый в электрическом поле, теперь уменьшается по мере того, как энергия передается остальной части цепи. Обратите внимание на направление тока относительно полярности напряжения:

Если к незаряженному конденсатору внезапно подается источник напряжения (внезапное повышение напряжения), конденсатор будет потреблять ток от этого источника, поглощая из него энергию, пока напряжение конденсатора не сравняется с напряжением источника.Как только напряжение на конденсаторе достигает этого конечного (заряженного) состояния, его ток спадает до нуля. И наоборот, если сопротивление нагрузки подключено к заряженному конденсатору, конденсатор будет подавать ток на нагрузку до тех пор, пока он не высвободит всю накопленную энергию и его напряжение не упадет до нуля. Как только напряжение на конденсаторе достигает этого конечного (разряженного) состояния, его ток спадает до нуля. По своей способности заряжаться и разряжаться конденсаторы можно рассматривать как нечто вроде аккумуляторов с вторичными элементами.

Выбор изоляционного материала между пластинами, как упоминалось ранее, оказывает большое влияние на то, какой поток поля (и, следовательно, сколько заряда) будет развиваться при любой заданной величине напряжения, приложенного к пластинам. Из-за роли этого изоляционного материала в воздействии на поток поля он имеет специальное название: диэлектрик . Не все диэлектрические материалы одинаковы: степень, в которой материалы препятствуют или способствуют формированию потока электрического поля, называется диэлектрической проницаемостью диэлектрика.

Мера способности конденсатора накапливать энергию при заданной величине падения напряжения называется емкостью . Неудивительно, что емкость также является мерой интенсивности сопротивления изменениям напряжения (то есть, сколько тока она будет производить при заданной скорости изменения напряжения). Емкость символически обозначается заглавной «С» и измеряется в единицах Фарада, сокращенно «Ф».

Конвенция

по какой-то странной причине отдает предпочтение метрической приставке «микро» при измерении больших емкостей, и так много конденсаторов оцениваются в терминах сбивающих с толку больших значений в микрофарадах: например, один большой конденсатор, который я видел, был рассчитан на 330 000 микрофарад. !! Почему бы не указать это как 330 мФ? Я не знаю.

Устаревшее название конденсатора

Устаревшее название конденсатора конденсатор или конденсатор . Эти термины не используются ни в каких новых книгах или принципиальных схемах (насколько мне известно), но они могут встречаться в старой литературе по электронике. Возможно, наиболее известное использование термина «конденсатор» относится к автомобильной технике, где небольшой конденсатор, названный этим именем, использовался для уменьшения чрезмерного искрения на контактах переключателя (называемых «точками») в электромеханических системах зажигания.

ОБЗОР:

  • Конденсаторы реагируют на изменения напряжения, подавая или потребляя ток в направлении, необходимом для противодействия изменению.
  • Когда конденсатор сталкивается с возрастающим напряжением, он действует как нагрузка : потребляет ток по мере накопления энергии (ток идет в положительную сторону и выходит из отрицательной стороны, как резистор).
  • Когда конденсатор сталкивается с уменьшающимся напряжением, он действует как источник : подает ток по мере того, как он высвобождает накопленную энергию (ток выходит с положительной стороны и с отрицательной стороны, как батарея).
  • Способность конденсатора накапливать энергию в виде электрического поля (и, следовательно, противостоять изменениям напряжения) называется емкостью . Измеряется в единицах фарад (F).
  • Конденсаторы раньше были широко известны под другим термином: конденсатор (альтернативно пишется «конденсатор»).

Объяснение: чем отличаются батареи и конденсаторы

переменный ток      (в электричестве) Переменный ток, часто обозначаемый аббревиатурой AC, представляет собой поток электронов, который меняет направление через равные промежутки времени много раз в секунду.Большинство бытовых приборов работают от сети переменного тока. Но многие портативные устройства, такие как музыкальные плееры и фонарики, питаются от постоянного тока (DC), обеспечиваемого батареями.

 

анод      Отрицательная клемма батареи и положительно заряженный электрод в электролитической ячейке. Он притягивает отрицательно заряженные частицы. Анод является источником электронов для использования вне батареи, когда она разряжается.

 

атом      Основная единица химического элемента.Атомы состоят из плотного ядра, содержащего положительно заряженные протоны и нейтрально заряженные нейтроны. Вокруг ядра вращается облако отрицательно заряженных электронов.

 

батарея      Устройство, которое может преобразовывать химическую энергию в электрическую.

 

конденсатор      Электрический компонент, используемый для хранения энергии. В отличие от батарей, которые хранят энергию химически, конденсаторы хранят энергию физически, в форме, очень похожей на статическое электричество.

 

углерод      Химический элемент с атомным номером 6. Является физической основой всей жизни на Земле. Углерод существует свободно в виде графита и алмаза. Он является важной частью угля, известняка и нефти и способен к самосвязыванию химическим путем с образованием огромного количества химически, биологически и коммерчески важных молекул.

 

катод      Положительный полюс батареи и отрицательно заряженный электрод в электролитической ячейке.Он притягивает положительно заряженные частицы. Во время разряда катод притягивает электроны снаружи батареи.

 

керамика      Твердый, но хрупкий материал, изготовленный путем обжига глины или другого неметаллического минерала при высокой температуре. Кирпичи, фарфор и другие виды фаянса являются примерами керамики. Многие высокоэффективные керамики используются в промышленности, где материалы должны выдерживать суровые условия.

 

химический      Вещество, состоящее из двух или более атомов, которые соединяются (становятся связанными вместе) в фиксированной пропорции и структуре.Например, вода — это химическое вещество, состоящее из двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода. Его химический символ — H 2 O. Химический также может быть прилагательным, описывающим свойства материалов, которые являются результатом различных реакций между различными соединениями.

 

химическая реакция      Процесс, включающий перестройку молекул или структуры вещества в отличие от изменения физической формы (например, из твердого состояния в газообразное).

 

цепь      Сеть, передающая электрические сигналы.В организме нервные клетки создают цепи, передающие электрические сигналы в мозг. В электронике провода обычно направляют эти сигналы для активации какой-либо механической, вычислительной или другой функции.

 

компонент      Изделие, являющееся частью чего-то другого, например, элементы, входящие в состав электронной платы.

 

проводник      (в физике и технике) Материал, через который может протекать электрический ток.

 

текущий      Жидкое тело, например вода или воздух, которое движется в узнаваемом направлении.(в электричестве) Поток электричества или количество электричества, проходящего через некоторую точку за определенный период времени.

 

плотность      Показатель плотности объекта, определяемый путем деления массы на объем.

 

постоянный ток      (в электричестве) Часто сокращенно DC, постоянный ток представляет собой односторонний поток электронов. Энергия постоянного тока генерируется такими устройствами, как батареи, конденсаторы и солнечные элементы. Когда цепи требуется питание постоянного тока, некоторые электронные устройства могут преобразовывать мощность переменного тока (AC) в постоянный ток.

 

электронная сигарета      Устройство с батарейным питанием, которое рассеивает никотин и другие химические вещества в виде мельчайших частиц в воздухе, которые пользователи могут вдыхать. Первоначально они были разработаны как более безопасная альтернатива сигаретам, которую могли использовать потребители, пытаясь постепенно избавиться от своей зависимости от никотина, содержащегося в табачных изделиях. Эти устройства нагревают ароматизированную жидкость до тех пор, пока она не испарится, образуя пары. Люди используют эти устройства, известные как вейперы.

 

электрический заряд    Физическое свойство, отвечающее за электрическую силу; он может быть отрицательным или положительным.

 

электрический ток      Поток электрического заряда, называемый электричеством, обычно возникающий в результате движения отрицательно заряженных частиц, называемых электронами.

 

электрическое поле      Область вокруг заряженной частицы или объекта, в пределах которой сила может действовать на другие заряженные частицы или объекты.

 

электричество      Поток заряда, обычно возникающий в результате движения отрицательно заряженных частиц, называемых электронами.

 

электрический потенциал     Известный как напряжение, электрический потенциал представляет собой движущую силу электрического тока (или потока электронов) в цепи. С научной точки зрения, электрический потенциал — это мера потенциальной энергии на единицу заряда (например, электрона или протона), хранящегося в электрическом поле.

 

электролит      Неметаллическая жидкость или твердое вещество, проводящее ионы — электрически заряженные атомы или молекулы — для переноса электрических зарядов.(Некоторые минералы в крови или других телесных жидкостях могут служить ионами, которые перемещаются, чтобы нести заряд.) Электролиты также могут служить ионами, которые перемещают положительные заряды внутри батареи.

 

электрон      Отрицательно заряженная частица, обычно вращающаяся вокруг внешних областей атома; также носитель электричества внутри твердых тел.

 

плотность энергии      Количество энергии, хранящейся в батарее, конденсаторе или другом накопителе, деленное на его объем.

 

инженер      Человек, который использует науку для решения проблем. Глагол «спроектировать» означает разработать устройство, материал или процесс, который решит какую-то проблему или неудовлетворенную потребность.

 

фактор      Что-то, что играет роль в определенном состоянии или событии; вкладчик.

 

поле      (в физике) Область пространства, в которой действуют определенные физические явления, такие как магнетизм (созданный магнитным полем), гравитация (гравитационное поле), масса (поле Хиггса) или электричество (электрическое поле). поле).

 

частота      Количество раз, когда указанное периодическое явление происходит в течение определенного интервала времени. (В физике) Количество длин волн, возникающее за определенный интервал времени.

 

графит      Как и алмаз, графит — вещество, содержащееся в грифеле карандаша, — представляет собой форму чистого углерода. В отличие от алмаза, графит очень мягкий. Основное различие между этими двумя формами углерода заключается в количестве и типе химических связей между атомами углерода в каждом веществе.

 

гибрид      Организм, полученный путем скрещивания двух животных или растений разных видов или генетически различных популяций внутри вида. Такое потомство часто обладает генами, передаваемыми каждым родителем, что дает комбинацию черт, не известных в предыдущих поколениях. Этот термин также используется в отношении любого объекта, который представляет собой смесь двух или более вещей.

 

изолятор      Вещество или устройство, плохо проводящее электричество.

 

ion      Атом или молекула с электрическим зарядом из-за потери или приобретения одного или нескольких электронов.

 

литий      Мягкий серебристый металлический элемент. Это самый легкий из всех металлов и очень реакционноспособный. Он используется в батареях и керамике.

 

слюда      Семейство минералов, многие из которых легко распадаются на мелкие блестящие хлопья.

 

минерал      Кристаллообразующие вещества, такие как кварц, апатит или различные карбонаты, из которых состоит горная порода.Большинство горных пород содержат смешанные вместе несколько различных минералов. Минерал обычно является твердым и стабильным при комнатной температуре и имеет определенную формулу или состав (с атомами, встречающимися в определенных пропорциях) и определенную кристаллическую структуру (это означает, что его атомы организованы в определенные регулярные трехмерные структуры).

 

диапазон      Полный объем или распределение чего-либо. Например, ареал растения или животного — это территория, на которой оно существует в природе.(в математике или для измерений) Степень, в которой возможно изменение значений. Кроме того, расстояние, на котором что-то может быть достигнуто или воспринято.

 

Смартфон      Сотовый (или мобильный) телефон, который может выполнять множество функций, включая поиск информации в Интернете.

 

суперконденсатор      Конденсатор с двумя проводящими поверхностями или электродами (подобно другим конденсаторам), на которых накапливается заряд энергии.В отличие от обычных конденсаторов (но похожих на батареи), электролит разделяет два электрода. В этом смысле суперконденсатор, по сути, представляет собой гибрид батареи и конденсатора.

 

площадь поверхности      Площадь поверхности некоторого материала. Как правило, материалы меньшего размера и материалы с более шероховатой или более завитой поверхностью имеют большую площадь внешней поверхности — на единицу массы — чем более крупные предметы или материалы с более гладкой поверхностью. Это становится важным, когда на поверхности происходят химические, биологические или физические процессы.

 

terminal      Конечная точка или последняя станция в некоторой системе, сети или процессе. Конец линии.

 

токсичный      Ядовитый или способный повредить или убить клетки, ткани или целые организмы. Мерой опасности такого яда является его токсичность.

 

настроить      (в инженерном деле) Отрегулировать до нужного уровня.

 

турбина      Устройство с вытянутыми лопастями в виде рук (часто изогнутыми), предназначенное для улавливания движущейся жидкости — от газа или пара до воды — и последующего преобразования энергии этого движения во вращательное движение.Часто это вращательное движение заставит систему вырабатывать электричество.

 

напряжение      Сила, связанная с электрическим током, которая измеряется в единицах, известных как вольты. Энергетические компании используют высокое напряжение для передачи электроэнергии на большие расстояния.

Конденсаторы | Электрические конденсаторы премиум-класса

Конденсатор представляет собой пассивный электрический компонент с двумя выводами, который накапливает и разряжает электрическую энергию в электрическом поле.В большинстве электронных устройств конденсаторы подключаются параллельно цепям питания постоянного тока для сглаживания колебаний тока в сигнальных или управляющих цепях.

Общие области применения электрических компонентов с двумя выводами

В зависимости от области применения доступны различные типы конденсаторов. Например, конденсаторы компьютерного класса или силовые конденсаторы используются в автомобильных аудиосистемах, чтобы предотвратить выход из строя других электронных компонентов, когда на усилитель подается большое количество электричества.Поскольку они эффективно хранят и рассеивают электроэнергию, конденсаторы компьютерного класса также могут использоваться для ряда других высоковольтных приложений.
 
PUI предлагает электрические компоненты с двумя выводами, которые подходят для широкого спектра применений, включая:
  • Автомобильная аудиосистема
  • Цепи освещения
  • Пускатели двигателей
  • Приложения подавления и сопряжения, такие как передача сигналов, развязка, рекламные фильтры помех и демпферы
  • Преобразование мощности для сигнальных цепей и цепей управления, включая сглаживание колебаний тока
  • Коррекция коэффициента мощности в приложениях распределения электроэнергии

Силовые конденсаторы для автомобилей и высоковольтных устройств

Все конденсаторы имеют две проводящие пластины и внутренний изолирующий материал, известный как диэлектрик, который определяет частотные характеристики конденсатора.Два клеммных электрических компонента изготовлены из различных материалов, включая алюминий, керамику, стекло или тантал. Каждый материал обладает уникальными характеристиками, которые определяют, как силовой конденсатор будет работать по назначению.
 
Конденсаторы имеют положительный и отрицательный полюс; положительный полюс подключается к источнику питания, а отрицательный полюс используется для заземления вашего компонента. Из-за их способности быстро заряжаться и разряжаться всегда следует соблюдать крайнюю осторожность при установке, зарядке или снятии электрического конденсатора премиум-класса.

Алюминиевые конденсаторы

Анодный электрод конденсаторов переменного тока изготовлен из чистой алюминиевой фольги с травленой поверхностью. Алюминий образует очень тонкий изолирующий слой оксида алюминия путем анодирования, который действует как диэлектрик конденсатора. Вот некоторые особенности наших конденсаторов для питания переменного тока:
  • Качество компьютерного класса
  • Многослойный керамический чип
  • Защелкивающийся тип
  • Проводящий полимерный алюминий
  • Поверхностный монтаж

Пленочные конденсаторы

Пленочные конденсаторы премиум-класса. которые содержат изолирующую пластиковую пленку, которая является диэлектриком.Иногда их комбинируют с бумагой для переноса электродов. Наши пленочные конденсаторы включают в себя:
  • Осевые выводы
  • Радиальные выводы
  • Варианты полиэфирной, полипропиленовой, полифениленовой, поликарбонатной пленки
  • IGBT-демпферы

Керамические конденсаторы

как диэлектрик. Он состоит из двух или более чередующихся слоев керамики и металлического слоя, который действует как электроды.Характеристики керамического конденсатора PUI включают:
  • Поверхностный монтаж
  • Различные варианты размеров
  • Чрезвычайная надежность
  • Конструкция с защитой от серы
  • Широкий диапазон напряжений

Танталовые конденсаторы

как анод, который покрыт изолирующим оксидным слоем, образующим диэлектрик. Затем эта часть окружена проводящим материалом, который действует как катод.Танталовые конденсаторы PUI в полном диапазоне размеров и напряжений.

Свяжитесь с PUI сегодня

Свяжитесь с нами, чтобы получить дополнительную информацию о наших конденсаторах переменного тока, силовых конденсаторах и конденсаторах компьютерного класса, или запросите предложение сегодня.

 

 

Молекулярные выражения: электричество и магнетизм

Введение в емкость

Емкость — это свойство электрического проводника, характеризующее его способность накапливать электрический заряд.Электронное устройство, называемое конденсатором, предназначено для создания емкости в электрической цепи за счет накопления энергии в электрическом поле между двумя проводящими телами.

Около 1745 года Эвальд Кристиан фон Клист и Питер ван Мусшенбрук независимо друг от друга открыли емкость в электрической цепи. Занимаясь отдельными исследованиями электростатики, они обнаружили, что электрический заряд может храниться в течение определенного периода времени.Они использовали устройство, теперь называемое лейденской банкой, которое состояло из закрытой пробкой стеклянной банки, наполненной водой, с гвоздем, протыкающим пробку и погружаемым в воду. Они подключили гвоздь к электростатическому заряду. После отключения гвоздя от источника заряда они обнаружили, что при прикосновении к гвоздю можно было почувствовать удар. Это продемонстрировало, что устройство накопило заряд.

В 1747 году Джон Бевис усовершенствовал устройство, заменив воду в банке металлической фольгой.Он обложил банку изнутри и снаружи фольгой. Это создало конденсатор с двумя проводниками (внутренний и внешний слои металлической фольги), одинаково разделенными изоляционным стеклом. Эти конструктивные особенности заложены в современном конденсаторе. Лейденская банка также использовалась Бенджамином Франклином для хранения заряда от молнии и в других экспериментах. На самом деле естественное явление молнии включает в себя емкость, когда огромные электрические поля возникают между слоями облаков или между облаками и землей до удара молнии.Мы создали учебник по Java , демонстрирующий это явление.

Интерактивное руководство по Java

Конденсаторы по-разному используются в электронных схемах, таких как барьеры для постоянного тока, хранение памяти в компьютерном чипе, хранение заряда для электронной фотовспышки или настройка настроенной схемы, например, в радио.

Описание конденсатора

Конденсатор в своей простейшей форме состоит из двух проводящих пластин, разделенных изолирующим слоем, называемым диэлектриком. Когда конденсатор включен в цепь через источник напряжения, напряжение выталкивает электроны на поверхность одной пластины и вытягивает электроны с поверхности другой пластины, что приводит к разности потенциалов между пластинами. Конденсаторы заряжаются и разряжаются по мере необходимости.Конденсаторы различаются размерами и расположением пластин, а также типом используемых диэлектрических материалов. В зависимости от типа необходимого диэлектрика можно использовать бумагу, керамику, воздух, слюду и электролитические материалы. Емкость конденсатора может быть фиксированной или регулируемой (как в радиотюнере).

Зарядка конденсатора

Когда конденсатор подключен к источнику напряжения, например к батарее, напряжение заставляет электроны прилипать к одной пластине, в результате чего пластина становится отрицательно заряженной.Электроны другой пластины отрываются от батареи, в результате чего получается положительно заряженная пластина. Поскольку диэлектрик между пластинами является изолятором, через него не может протекать ток. Конденсатор имеет конечную емкость для накопления зарядов. Когда конденсатор достигает своей емкости, он полностью заряжен.

Следующие схемы иллюстрируют зарядку конденсатора. На рис. 2 показана цепь, содержащая проводник, соединяющий батарею, разомкнутый переключатель и конденсатор.Конденсатор на рисунке 2 не заряжен. Разности потенциалов между пластинами нет.

Когда переключатель замкнут, как на рис. 3, происходит мгновенный скачок тока через проводник к пластинам конденсатора и от них. Когда ток достигает отрицательной пластины конденсатора, он останавливается диэлектриком.

Всплеск электрического тока в конденсаторе индуцирует противодействующую электродвижущую силу в проводнике и пластинах.Эта противоэлектродвижущая сила называется реактивным сопротивлением. Когда реактивное сопротивление достигает уровня, равного напряжению батареи, конденсатор полностью заряжен. Дальнейшего течения тока нет. Когда конденсатор полностью заряжен, переключатель можно разомкнуть, и конденсатор сохранит свой заряд (рис. 4). Из-за разницы зарядов на пластинах в конденсаторе имеется источник потенциальной энергии. Накопленная энергия – это энергия, необходимая для зарядки конденсатора.

Силовые линии между пластинами конденсатора представляют собой электрическое силовое поле (см. рис. 3 и 4).Это электрическое силовое поле существует из-за неравных зарядов, положительных и отрицательных, на внутренних поверхностях пластин. Ток не может течь через электростатическое поле из-за диэлектрического изолятора. Другими словами, разность потенциалов между пластинами индуцирует внутри диэлектрика электростатическое поле, удерживающее заряд.

Разрядка конденсатора

Заряженный конденсатор, показанный на рисунке 4, теперь является источником потенциальной энергии.Эта потенциальная энергия теперь доступна для предполагаемого электронного применения. Если переключатель замкнут, как на рисунке 5, ток немедленно начнет течь от отрицательной пластины к положительной. Конденсатор разряжается.

Заряженный конденсатор является источником напряжения для протекания тока. Ток перестанет течь, когда заряды двух пластин снова сравняются, а это означает, что конденсатор полностью разряжен.

Мы смоделировали зарядку и разрядку конденсатора в нашем Capacitor Interactive Java Tutorial.

Интерактивное руководство по Java
Диэлектрические материалы

Диэлектрический материал в конденсаторе предотвращает протекание тока между его пластинами. Он также служит средой для поддержания электростатической силы заряженного конденсатора.Для диэлектриков используются различные материалы, как показано в таблице ниже.

Диэлектрические материалы оцениваются на основе их способности выдерживать электростатические силы с точки зрения числа, называемого диэлектрической проницаемостью. Способность диэлектрика выдерживать электростатические силы прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости. Вакуум является стандартом, по которому оцениваются другие диэлектрики. Диэлектрическая проницаемость вакуума равна 1. Из диаграммы видно, что разница в диэлектрической проницаемости вакуума и воздуха очень мала.Поэтому часто говорят, что воздух имеет диэлектрическую проницаемость 1,

.
Материал Диэлектрическая проницаемость
Вакуум 1,0
Воздух 1.00059
Полистирол 2.5
Бумага 3,5
Слюда 5,4
Бесцветное стекло 9,9
Спирт метиловый 35
Глицерин 56,2
Чистая вода 81
Измерение емкости

Емкость измеряется в фарадах, названных в честь Майкла Фарадея (1791-1867).Фарад обозначается символом F. Если заряд в 1 кулон поместить на пластины конденсатора, а разность потенциалов между ними составляет 1 вольт, то емкость определяется как 1 фарад. Один кулон равен заряду 6,25 х 10 18 электронов. Один фарад — это чрезвычайно большая величина емкости. Чаще используются микрофарад (10 -6 Ф) и пикофарад (10 -12 Ф).

Емкость конденсатора пропорциональна количеству заряда, которое может быть в нем накоплено на каждый вольт разности потенциалов между его пластинами.Математически это отношение записывается как:

С = К/В

Где Кл — емкость в фарадах, Кл — количество накопленного электрического заряда в кулонах, а В — разность потенциалов в вольтах.

Следовательно, накопленный электрический заряд можно рассчитать по формуле:

Q = CV

Разность потенциалов или напряжения конденсатора можно рассчитать по формуле:

В = Q/C

Факторы, влияющие на значение емкости

На емкость конденсатора влияют три фактора:

  1. Площадь пластин
  2. Расстояние между пластинами
  3. Диэлектрическая проницаемость материала между пластинами

Пластины большего размера обеспечивают большую емкость для накопления электрического заряда.Следовательно, с увеличением площади пластин увеличивается емкость.

Емкость прямо пропорциональна электростатическому силовому полю между пластинами. Это поле сильнее, когда пластины расположены ближе друг к другу. Следовательно, при уменьшении расстояния между пластинами емкость увеличивается. С увеличением расстояния между пластинами емкость уменьшается.

Как обсуждалось выше, способность диэлектрика выдерживать электростатические силы прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости.Следовательно, с увеличением диэлектрической проницаемости увеличивается емкость.

С учетом каждого из трех вышеперечисленных факторов емкость конденсатора с двумя параллельными пластинами можно рассчитать по формуле:

С = (8,855 К А) ÷ д

, где C — емкость в пикофарадах, K k — это диэлектрическая постоянная, A — площадь одной пластины в м 2 , а D — это расстояние между пластинами в м .

Наш интерактивный учебник по Java «Факторы, влияющие на емкость» демонстрирует изменения емкости при изменении размера пластины, расстояния и диэлектрической проницаемости.

Интерактивное руководство по Java
Цепи резистивно-емкостной серии и постоянная времени

Когда конденсатор заряжается, протекающий ток уменьшается, потому что напряжение, развиваемое конденсатором, со временем увеличивается и противодействует напряжению источника.Следовательно, скорость заряда конденсатора со временем снижается. Время, необходимое для зарядки и разрядки конденсатора, является очень важным фактором при разработке электронных схем. Резисторы часто используются в сочетании с конденсаторами, чтобы контролировать время заряда и разряда, необходимое для предполагаемого применения. Сопротивление напрямую влияет на время, необходимое для зарядки конденсатора. Чем больше сопротивление, тем больше времени требуется для зарядки конденсатора. Время, в течение которого конденсатор полностью заряжается в резистивно-емкостной (RC) цепи, зависит от номиналов конденсатора и резистора.

На следующем графике показана скорость заряда конденсатора в RC-цепи. Обратите внимание, что скорость зарядки сильно снижается со временем. Последняя часть времени его зарядки во много раз больше, чем первая часть. Фактически, конденсатор достигает 63,2% своего заряда за одну пятую часть времени, необходимого для полной зарядки. Из-за этого конденсаторы в реальных приложениях обычно заряжаются не полностью. Конденсаторы в цепях обычно заряжаются всего на 63,2% от полной емкости.Время, необходимое конденсатору для зарядки до 63,2% его полной емкости, называется его постоянной времени RC (резистивно-емкостной).

Важно знать, как рассчитать постоянные времени RC, чтобы проектировать множество различных электронных схем. Постоянную времени RC-цепи можно рассчитать по следующей формуле:

т = С x R

Где t — время в секундах, C — емкость в фарадах, а R — сопротивление в омах.

В нашем интерактивном учебном пособии по Java с постоянной времени RC показаны изменения постоянной времени RC при изменении значений сопротивления и емкости.

Интерактивное руководство по Java
Конденсаторы в параллельных цепях

Емкость цепи можно увеличить, подключив конденсаторы параллельно, как показано на следующей схеме:

Мы знаем, что емкость конденсатора можно увеличить, увеличив размер его пластин.Параллельное соединение двух или более конденсаторов увеличивает размер пластины. Увеличение площади пластины позволяет хранить больше заряда и, следовательно, создает большую емкость. Чтобы определить общую емкость нескольких параллельно включенных конденсаторов, просто сложите их индивидуальные значения. Ниже приведена формула для расчета общей емкости в цепи, содержащей конденсаторы, включенные параллельно:

С Т = С 1 + С 2 + С 3 .. .

Конденсаторы в последовательных цепях

Емкость цепи может быть уменьшена путем последовательного включения конденсаторов, как показано на следующей диаграмме:

Мы знаем, что емкость конденсатора можно уменьшить, разместив пластины дальше друг от друга. Последовательное соединение двух или более конденсаторов фактически увеличивает расстояние между пластинами и толщину диэлектрика, тем самым уменьшая величину емкости.

Ниже приведена формула для расчета общей емкости в цепи, содержащей два последовательно включенных конденсатора:

C T = (C 1 x C 2 x C 3 ) / (C 1 + C 2 + C 3 )

Номинальное напряжение конденсаторов

При выборе подходящего конденсатора для данного приложения необходимо учитывать не только значение емкости, но и величину напряжения, которому будет подвергаться конденсатор.Конденсаторы рассчитаны на определенное максимальное напряжение. Превышение максимального напряжения может привести к протеканию тока через диэлектрик и повреждению конденсатора. Максимальное напряжение, которое может выдержать конденсатор, является его рабочим напряжением. Производитель указывает рабочее напряжение. Однако стандартная погрешность заключается в выборе конденсатора с рабочим напряжением, на 50 % превышающим максимальное напряжение, которое будет использоваться в приложении.

Переменные конденсаторы

Существует два основных типа конденсаторов: постоянные и переменные.Постоянный конденсатор имеет определенное значение емкости. Переменный конденсатор допускает диапазон емкости. Переменные конденсаторы сконструированы таким образом, что емкость можно изменять механическими средствами, такими как регулировка винта или вращение вала. Переменные конденсаторы используются, когда приложение требует регулировки емкости, например, в радиотюнере.

Ниже приведен типичный переменный конденсатор. Имеет два комплекта пластин. Один набор называется ротором, а другой — статором.Ротор обычно подключается к ручке снаружи конденсатора. Два набора пластин расположены близко друг к другу, но не соприкасаются. Воздух является диэлектриком в конденсаторе переменной емкости. При повороте ручки наборы пластин становятся более или менее зацепленными, увеличивая или уменьшая расстояние между пластинами. По мере того, как пластины становятся более зацепленными, емкость увеличивается. По мере того, как пластины становятся менее зацепленными, емкость уменьшается.

Наш интерактивный учебник по Java Variable Capacitor демонстрирует механику переменного конденсатора.

Интерактивное руководство по Java

Конденсаторы в действии

Компьютерная память

В большинстве случаев основной памятью компьютера является быстродействующая оперативная память (ОЗУ). Возможны два типа основной памяти со схемами ОЗУ: статическая оперативная память (SRAM) и динамическая оперативная память (DRAM).Одна микросхема памяти состоит из нескольких миллионов ячеек памяти. В чипе SRAM каждая ячейка памяти состоит из триггера с резисторной схемой для хранения двоичных цифр 1 или 0. В чипе DRAM каждая ячейка памяти состоит из конденсатора, а не триггера с резисторной схемой. Говорят, что когда конденсатор электрически заряжен, он хранит двоичную цифру 1, а когда он разряжен, он представляет собой 0. На рисунке 10 ниже показана часть микросхемы памяти, содержащая 16 ячеек памяти.

Конденсаторные микрофоны

Микрофон преобразует звуковые волны в электрический сигнал.Все микрофоны имеют диафрагму, которая вибрирует при ударе звуковых волн. Вибрирующая диафрагма, в свою очередь, заставляет электрический компонент создавать выходной поток тока с частотой, пропорциональной звуковым волнам. В конденсаторном микрофоне для этой цели используется конденсатор.

В конденсаторном микрофоне диафрагма представляет собой отрицательно заряженную пластину заряженного конденсатора. Когда звуковая волна сжимает диафрагму, диафрагма перемещается ближе к положительной пластине. Уменьшение расстояния между пластинами увеличивает электростатическое притяжение между ними.Это приводит к протеканию тока к отрицательной пластине. По мере того, как диафрагма выдвигается в ответ на звуковые волны, диафрагма перемещается дальше от положительной пластины. Увеличение расстояния между пластинами уменьшает электростатическое притяжение между ними. Это приводит к обратному току к положительной пластине. Эти переменные потоки тока обеспечивают слабые электронные сигналы, которые поступают в микшер, затем в усилитель и, наконец, в громкоговоритель. Вы можете наблюдать за работой конденсаторного микрофона в нашем учебном пособии по Java для конденсаторного микрофона .

Интерактивное руководство по Java
Радиоприемник

Конденсаторы переменной емкости применяются в цепях настройки радиоприемников. На рисунке 11 переменный конденсатор подключен к схеме антенна-трансформатор. Передаваемые радиоволны вызывают протекание индуцированного тока в антенне через первичную катушку на землю.

Во вторичной обмотке индуцируется вторичный ток противоположного направления.Этот ток течет к конденсатору. Мы знаем, что скачок тока в конденсаторе индуцирует противодействующую электродвижущую силу. Эта противоэлектродвижущая сила называется реактивным сопротивлением. Индуцированный ток через катушку также индуцирует противодействующую электродвижущую силу. Это называется индуктивным реактивным сопротивлением. Таким образом, у нас есть как емкостное, так и индуктивное реактивное сопротивление.

На более высоких частотах индуктивное сопротивление больше, а емкостное сопротивление меньше. На более низких частотах все наоборот.Переменный конденсатор используется для выравнивания индуктивного и емкостного сопротивлений. Состояние, при котором реактивные сопротивления уравниваются, называется резонансом. Конкретная частота, которая выделяется уравновешенными реактивными сопротивлениями, называется резонансной частотой.

Радиоконтур настраивают регулировкой емкости переменного конденсатора для уравнивания индуктивного и емкостного сопротивлений контура на нужную резонансную частоту, или другими словами, для настройки на нужную радиостанцию.В нашем интерактивном учебном пособии Java Radio Receiver показано, как переменный конденсатор используется для настройки на радиочастоты.

Интерактивное руководство по Java
Импульсные магниты

В Национальной лаборатории сильного магнитного поля магниты используются для исследований во всех областях науки, включая биологию, химию, геологию, инженерию, материаловедение и физику.Исследования в сильных магнитных полях имеют решающее значение, поскольку они позволяют ученым изучать материю на молекулярном уровне.

Одним из используемых типов магнитов является импульсный магнит. Импульсные магниты способны индуцировать магнитные поля до 800 тесла. Чтобы генерировать такие сильные поля, требуются чрезвычайно высокие электрические токи, часто в десятки тысяч ампер. Импульсные магниты обычно питаются от батареи конденсаторов, устройства, содержащего большое количество конденсаторов, способных накапливать огромное количество электроэнергии.Конденсаторная батарея разряжается за доли секунды через катушку магнита. Типичные энергии порядка от 0,5 до 1 мегаджоуля. Мы смоделировали питание импульсного магнита в нашем Pulsed Magnet Interactive Java Tutorial .

Интерактивное руководство по Java

Ссылки на дополнительную информацию об импульсных магнитах:

Что такое импульсный магнит?


ВЕРНУТЬСЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНИТИЗМ ДОМ

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.
© 1995-2022 автор Майкл В. Дэвидсон и Университет штата Флорида. Все права защищены. Никакие изображения, графика, программное обеспечение, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения владельцев авторских прав. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми правовыми положениями и условиями, изложенными владельцами.
Этот веб-сайт поддерживается нашим

Группа графического и веб-программирования
в сотрудничестве с Optical Microscopy в
Национальной лаборатории сильного магнитного поля.
Последнее изменение: пятница, 13 ноября 2015 г., 14:18
Количество обращений с 29 марта 1999 г.: 221959

Электролитический конденсатор | Типы | Руководство по конденсаторам

Что такое электролитические конденсаторы?

Электролитический конденсатор — это тип конденсатора, в котором используется электролит для достижения большей емкости, чем у других типов конденсаторов. Электролит представляет собой жидкость или гель, содержащий высокую концентрацию ионов.Почти все электролитические конденсаторы поляризованы, а это означает, что напряжение на положительной клемме всегда должно быть больше, чем напряжение на отрицательной клемме. Преимущество большой емкости электролитических конденсаторов также имеет несколько недостатков. К числу этих недостатков относятся большие токи утечки, допустимые отклонения значений, эквивалентное последовательное сопротивление и ограниченный срок службы. Электролитические конденсаторы могут быть как с влажным электролитом, так и с твердым полимером. Обычно они изготавливаются из тантала или алюминия, хотя могут использоваться и другие материалы.Суперконденсаторы представляют собой особый подтип электролитических конденсаторов, также называемых двухслойными электролитическими конденсаторами, с емкостями в сотни и тысячи фарад. Эта статья будет основана на алюминиевых электролитических конденсаторах. Они имеют типичную емкость от 1 мкФ до 47 мФ и рабочее напряжение до нескольких сотен вольт постоянного тока. Алюминиевые электролитические конденсаторы используются во многих устройствах, таких как блоки питания, материнские платы компьютеров и многие бытовые приборы. Поскольку они поляризованы, их можно использовать только в цепях постоянного тока.

Определение электролитического конденсатора

Электролитический конденсатор представляет собой поляризованный конденсатор, в котором используется электролит для достижения большей емкости, чем у других типов конденсаторов.

Чтение значения емкости

В случае сквозных конденсаторов значение емкости, а также максимальное номинальное напряжение напечатано на корпусе. Конденсатор с надписью «4,7 мкФ 25 В» имеет номинальную емкость 4,7 мкФ и максимальное номинальное напряжение 25 вольт, которое никогда не должно превышаться.

В случае электролитических конденсаторов SMD (поверхностного монтажа) существует два основных типа маркировки. В первом четко указано значение в микрофарадах и рабочее напряжение. Например, при таком подходе конденсатор емкостью 4,7 мкФ с рабочим напряжением 25 вольт будет иметь маркировку «4,7 25В. В другой системе маркировки за буквой следуют три цифры. Буква представляет номинальное напряжение в соответствии с таблицей ниже. Первые два числа представляют собой значение в пикофарадах, а третье число — это количество нулей, которое нужно добавить к первым двум.Например, конденсатор емкостью 4,7 мкФ с номинальным напряжением 25 вольт будет иметь маркировку E476. Это соответствует 47000000 пФ = 47000 нФ = 47 мкФ.

Письмо Напряжение
и 2,5
Г 4
Дж 6,3
А 10
С 16
Д 20
Е 25
В 35
Н 50

Характеристики 

Дрейф емкости

Емкость электролитических конденсаторов с течением времени дрейфует от номинального значения, и они имеют большие допуски, обычно 20%.Это означает, что алюминиевый электролитический конденсатор с номинальной емкостью 47 мкФ должен иметь измеренное значение где-то между 37,6 мкФ и 56,4 мкФ. Танталовые электролитические конденсаторы могут быть изготовлены с более жесткими допусками, но их максимальное рабочее напряжение ниже, поэтому их не всегда можно использовать в качестве прямой замены.

Полярность и безопасность

Из-за конструкции электролитических конденсаторов и характеристик используемого электролита электролитические конденсаторы должны быть смещены в прямом направлении.Это означает, что положительная клемма всегда должна находиться под более высоким напряжением, чем отрицательная клемма. Если конденсатор смещается в обратном направлении (если полярность напряжения на клеммах изменена на противоположную), изолирующий оксид алюминия, который действует как диэлектрик, может быть поврежден и начать действовать как короткое замыкание между двумя клеммами конденсатора. Это может привести к перегреву конденсатора из-за протекающего через него большого тока. Когда конденсатор перегревается, электролит нагревается и вытекает или даже испаряется, что приводит к разрыву корпуса.Этот процесс происходит при обратном напряжении порядка 1 вольта и выше. Для обеспечения безопасности и предотвращения взрыва корпуса из-за высокого давления, возникающего в условиях перегрева, в корпусе установлен предохранительный клапан. Обычно это делается путем создания надреза на верхней поверхности конденсатора, которая контролируемым образом открывается при перегреве конденсатора. Поскольку электролиты могут быть токсичными или вызывающими коррозию, могут потребоваться дополнительные меры безопасности при очистке после замены перегретого электролитического конденсатора.

Существует специальный тип электролитических конденсаторов для переменного тока, который спроектирован так, чтобы выдерживать обратную поляризацию. Этот тип называется неполяризованным или NP-типом.

Конструкция и свойства электролитических конденсаторов

Алюминиевые электролитические конденсаторы изготовлены из двух алюминиевых фольг и бумажной прокладки, пропитанной электролитом. Одна из двух алюминиевых фольг покрыта оксидным слоем, и эта фольга действует как анод, а непокрытая — как катод.При нормальной работе анод должен находиться под положительным напряжением по отношению к катоду, поэтому катод чаще всего маркируется знаком минус вдоль корпуса конденсатора. Анод, пропитанная электролитом бумага и катод укладываются друг на друга. Стопку сворачивают, помещают в цилиндрический корпус и соединяют с цепью с помощью штифтов. Существуют две распространенные геометрии: осевая и радиальная. Осевые конденсаторы имеют по одному выводу на каждом конце цилиндра, в то время как в радиальной геометрии оба контакта расположены на одном конце цилиндра.

Электролитические конденсаторы имеют большую емкость, чем большинство других типов конденсаторов, обычно от 1 мкФ до 47 мФ. Существует особый тип электролитического конденсатора, называемый двухслойным конденсатором или суперконденсатором, емкость которого может достигать тысяч фарад. Емкость алюминиевого электролитического конденсатора определяется несколькими факторами, такими как площадь пластины и толщина электролита. Это означает, что конденсатор большой емкости громоздкий и большой по размеру.

Стоит отметить, что электролитические конденсаторы, изготовленные по старой технологии, имели не очень большой срок годности, обычно всего несколько месяцев. Если его не использовать, оксидный слой разрушается, и его необходимо восстанавливать в процессе, называемом риформингом конденсатора. Это можно сделать, подключив конденсатор к источнику напряжения через резистор и медленно увеличивая напряжение до тех пор, пока оксидный слой не будет полностью восстановлен. Срок годности современных электролитических конденсаторов составляет 2 года и более.Если конденсатор остается неполяризованным в течение длительного времени, его необходимо преобразовать перед использованием.

Области применения электролитических конденсаторов

Во многих приложениях не требуются жесткие допуски и поляризация переменного тока, но требуются большие значения емкости. Они обычно используются в качестве фильтрующих устройств в различных источниках питания для уменьшения пульсаций напряжения. При использовании в импульсных источниках питания они часто являются критическим компонентом, ограничивающим срок службы источника питания, поэтому в этом приложении используются высококачественные конденсаторы.

Их также можно использовать для сглаживания входных и выходных сигналов в качестве фильтра нижних частот, если сигнал представляет собой сигнал постоянного тока со слабой составляющей переменного тока. Однако электролитические конденсаторы плохо работают с сигналами большой амплитуды и высокой частоты из-за мощности, рассеиваемой на паразитном внутреннем сопротивлении, называемом эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). В таких приложениях необходимо использовать конденсаторы с низким ESR, чтобы уменьшить потери и избежать перегрева.

Практическим примером является использование электролитических конденсаторов в качестве фильтров в аудиоусилителях, основной целью которых является уменьшение сетевого шума.Сетевой шум — это электрический шум частотой 50 Гц или 60 Гц, вызванный источником питания, который был бы слышен при усилении.

Электролитический конденсатор — обзор

Электролитические конденсаторы

Электролитический конденсатор — отдельная тема, и его следует рассматривать отдельно от всех остальных конденсаторов. Принцип заключается в том, что некоторые металлы, особенно алюминий и тантал, могут иметь очень тонкие пленки соответствующих оксидов, образующихся на поверхности, когда напряжение прикладывается с правильной полярностью (металл положительный) между металлом и слегка кислой жидкостью.Эти очень тонкие пленки затем изолируют металл от проводящей жидкости, электролита, образуя конденсатор; электролитический конденсатор. Название происходит от сходства с электролитической (металлической) ячейкой.

Этот же эффект вызывает проблему поляризации аккумуляторов, см. главу 7. эффективная площадь, заключенная в алюминиевую банку, заполненную слабокислым раствором пербората аммония в виде желе.Конденсатор формируется путем подачи медленно растущего напряжения на конденсатор с положительной фольгой и отрицательным корпусом до тех пор, пока напряжение не достигнет номинального уровня, а постоянный ток не упадет до минимума, что указывает на то, что изоляция настолько хороша, насколько это возможно. быть. С этого момента, когда конденсатор используется, к нему должно быть приложено постоянное (поляризующее) напряжение той же полярности, чтобы сохранить изолирующую пленку. Если конденсатор использовать с обратным напряжением, пленка растворится, удалив любую изоляцию и позволив большим токам проходить через жидкость, которая испарится, разрушив банку.Электролит обычно находится в форме желе, но разрушения, которые могут быть вызваны взрывом электролита (не говоря уже о шуме), гарантируют, что никто, кто добился этого, не захочет пытаться снова.

Использование тантала в качестве металла электролита позволяет создать совершенно другую форму конструкции, в которой оксидная пленка более стабильна и способна выдерживать изменения напряжения. Танталовые конденсаторы ( танталитики ) могут использоваться без постоянного поляризующего напряжения, могут работать с практически сухим электролитом и в целом имеют лучшие характеристики, чем традиционные алюминиевые электролитические электролиты.Опыт использования тантала привел к разработке «сухих» электролитов и для электролитов алюминиевого типа.

Танталитические конденсаторы не следует использовать в приложениях аудиосвязи, в которых напряжение смещения незначительно или отсутствует.

Из-за очень хрупкой природы изолирующей пленки, толщина которой может составлять всего несколько атомов, электролитические конденсаторы всегда подвержены значительной утечке, поэтому ток утечки при номинальном напряжении указывается, а не коэффициент мощности или коэффициенты рассеяния.Утечка часто связана со значением емкости и рабочим напряжением, и формула:

I утечка = 4 + (0,006 × C × В )

часто используется, с I 900 , C в F и V в вольтах. Например, использование этой формулы для конденсатора 200 мкФ при 12 В дает ток утечки 4 + (0,006 × 200 × 12) = 18,4 мкα. Некоторые производители используют эту формулу для расчета значений утечки. Ни один производитель не будет гарантировать электролита с низким значением утечки, но измеренные значения часто оказываются на удивление хорошими, если электролит работает в приемлемых условиях.Боб Пиз приводит примеры электролитов емкостью 500 мкФ с утечкой 2 нА при рабочем напряжении 10 В.

Рисунок 4.6. Типичные размеры алюминиевых электролитов (Фото: Nichicon Corp.).

Многие производители также указывают ожидаемый срок службы, превышающий 100 000 часов, при температуре 40°C и номинальном напряжении для электролитов, поскольку до сих пор существует некоторое предубеждение против их использования для чего-либо, кроме бытовой электроники. Военные приложения обычно запрещают использование электролитов, но в настоящее время они широко используются в промышленном оборудовании.Часто указывается температурный диапазон от –40°C до +85°C, но при более высоких температурах необходимо значительное снижение номинальных характеристик, а при более низких температурах существует риск замерзания гелеобразного электролита. Это в некоторой степени уравновешивается увеличением потерь при замерзании электролита, что приводит к более высокой диссипации и последующему оттаиванию. Однако это не тот эффект, на который следует полагаться. Некоторые типы могут иметь вентиляционные отверстия для сброса давления газа внутри электролита.

Электролитические конденсаторы используются преимущественно в качестве накопительных и сглаживающих конденсаторов для источников питания сетевой частоты, поэтому их наиболее важные параметры, кроме емкости и номинального напряжения, относятся к величине пульсирующего тока, который они могут пропускать. Для каждого конденсатора производитель указывает максимальный ток пульсаций (обычно при 100 или 120 Гц), а также два параметра, которые касаются способности конденсатора пропускать ток, ESR и импеданс. ESR — это эффективное последовательное сопротивление в миллиомах, обычно 50 мОм, для низкочастотных токов, и это значение может устанавливать предел пульсирующего тока, который может проходить; также к эффективности конденсатора для сглаживания.Другим параметром является эффективный импеданс в мОм, измеренный при 10 кГц и 20°C, который используется для измерения того, насколько эффективно конденсатор будет шунтировать токи на более высоких частотах. Если электролитический конденсатор используется в развязывающей цепи, которая может работать в большом диапазоне частот, следует использовать другие типы конденсаторов для работы с частотами выше 10 кГц, например полиэфирный тип для диапазона до 10 МГц и слюдяной или керамика для более высоких частот. Полезное эмпирическое правило — иметь один электролит для пяти керамики или дисков.

В электролитах общего назначения используется алюминий, часто с отдельным алюминиевым корпусом, рассчитанным на значение изоляции 1000 В. Физическая форма представляет собой цилиндр с биркой, стержнем или винтовыми соединителями на одном конце. Диапазон емкости, как правило, очень велик для устройств с более низким напряжением, до 15 000 мкФ при рабочем напряжении 16 В, но при более высоком напряжении 400 В более обычными являются значения от 1 мкФ до 220 мкФ. Многие конструкторы избегают использования электролита при рабочем напряжении более 350 В. Допуск значения велик (от -10% до +50%), а допустимый пульсирующий ток находится в диапазоне от 1 А до 7 А в зависимости от размера конденсатора.

Полный набор рекомендаций по применению алюминиевых электролитов см. на веб-сайте:

http://www.nichicon-us.com/tech-info.html

Еще одно полезное правило Опыт показывает, что вам нужно 1000 мкФ сглаживания на ампер выходного постоянного тока, но это не обязательно удовлетворительно. Предположим, например, что конденсатор емкостью 5000 мкФ используется при напряжении питания 6 В при полном номинальном токе пульсаций 5 А и имеет ESR 50 мОм.Пульсации пилообразной формы составят 6 В от пика к пику, а дополнительные 5 × 0,05 В = 0,25 В из-за ESR практически незначительны. Рассеивание в конденсаторе также будет слишком велико, и в схеме такого типа лучше использовать несколько конденсаторов параллельно.

Электролиты меньшего размера изготавливаются для непосредственного монтажа на печатных платах для развязки или дополнительного сглаживания, они имеют цилиндрическую форму и заканчиваются проводами, либо осевыми (по одному проводу на каждом конце), либо радиальными (оба провода на одном конце).Диапазон напряжения может быть от 10 В до 450 В, с диапазоном рабочих температур от –40°C до +85°C (рекомендуется снижение номинальных характеристик при более высоких температурах) и с коэффициентом мощности, который может быть от 0,08 до 0,08. как 0,2. Самый большой диапазон значений, обычно от 0,1 мкФ до 4700 мкФ, доступен для меньших рабочих напряжений. Субминиатюрные версии имеют рабочие напряжения в диапазоне от 6,3 В до 63 В и ток утечки, который составляет минимум 3 мкА, при этом емкостные единицы с большей емкостью имеют утечку, определяемую формулой: 0.01 С × В . Например, конденсатор 47 мкФ 40 В может иметь утечку: 0,01 × 47 × 40 = 18,8 мкα, но измеренные значения обычно намного меньше, всего 10 нА или даже меньше для современных конденсаторов.

Специализированный тип с влажным электролитом предназначен для резервирования памяти в цифровых схемах. Микросхемы памяти CMOS могут сохранять данные, если на одном выводе микросхемы поддерживается напряжение ниже нормального напряжения питания. Потребляемый ток на этом выводе очень низок, и поэтому может обеспечиваться конденсатором в течение значительных периодов времени.Это не тот метод, который используется для калькуляторов, использующих батарею, а для таких устройств, как контроллеры центрального отопления, которые должны сохранять свои настройки, если сетевое питание отключается на сравнительно короткий период. Типичными значениями для этих электролитов являются 1F0 и 3F3. Время разряда составляет от 1 до 5 часов при токе 1 мА и от 300 до 500 часов при более типичном токе 5 мкА, но необходимо учитывать высокий ток утечки.

Твердоэлектролитные типы теперь доступны в ассортименте алюминиевых электролитов.В отличие от традиционных алюминиевых электролитов, они не требуют вентиляции и не подвержены испарению электролита. Кроме того, в отличие от традиционных электролитических, они могут работать в течение периодов времени без поляризующего напряжения и могут принимать обратное напряжение, хотя только около 30% от номинального прямого напряжения при 85 ° C, что значительно меньше при более высоких температурах. Типичные размеры составляют от 2,2 мкФ до 100 мкФ, с номинальным напряжением от 10 В до 35 В при 85°C. Температурный диапазон составляет от –55°C до +125°C, и даже при максимальной рабочей температуре 125°C ожидаемый срок службы превышает 20 000 часов.Токи утечки довольно высоки, в диапазоне от 9 мкА до 250 мкА, а номинальный пульсирующий ток находится в диапазоне от 20 мА до 300 мА. Важной особенностью является то, что технические характеристики не накладывают ограничений на величину тока заряда или разряда, протекающего в цепи постоянного тока, при условии, что рабочее напряжение не превышено.

ТАНТАЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОЛИТИКИ

Танталовые электролиты неизменно используют твердые электролиты наряду с металлическим танталом, и их утечка намного ниже, чем у алюминиевых типов.Это делает их особенно подходящими для таких целей, как соединение сигналов, фильтры, схемы синхронизации и развязка. Обычные формы этих электролитов представляют собой миниатюрные шарики с эпоксидным покрытием или трубчатые осевые типы. Диапазон напряжения составляет от 6,3 В до 35 В со значениями от 0,1 мкФ до 100 мкФ. Диапазон температур от –55°C до +85°C. Танталовые электролиты могут использоваться без какого-либо смещения постоянного тока, а также могут принимать небольшое обратное напряжение, обычно менее 1,0 В. Следует ожидать минимальный ток утечки 1 мкα, а для более высоких значений емкости и рабочего напряжения ток утечки определяется из отношения емкости × коэффициента напряжения при минимальном гарантированном значении 1 пА.Можно ожидать коэффициент мощности в диапазоне от 0,02 до 0,2. Следует соблюдать осторожность, чтобы не превысить номинальное импульсное напряжение, обычно 1,3 × номинальное номинальное напряжение постоянного тока.

Основные понятия емкости » Заметки по электронике

Емкость является одним из основных понятий электроники и широко используется, о чем свидетельствует количество конденсаторов, используемых в электронных схемах


Емкость Учебное пособие Включает:
Емкость Формулы конденсаторов Емкостное реактивное сопротивление Параллельные и последовательные конденсаторы Диэлектрическая проницаемость и относительная диэлектрическая проницаемость Коэффициент рассеяния, тангенс угла потерь, ESR Таблица преобразования конденсаторов


Сопротивление, емкость и индуктивность — это три основных параметра, связанных с электрическими и электронными цепями.

В отличие от двух других, емкость связана с хранением электрического заряда, а атрибуты используются в электронных компонентах, называемых конденсаторами, которые, в свою очередь, используются во многих электрических цепях и практически во всех электронных схемах.

Эффекты емкости можно использовать различными способами в схемах, начиная от электродвигателей и заканчивая электронными схемами, такими как источники питания, аудиосхемы, радиочастотные схемы, логические и цифровые схемы и многие другие.

В связи с этим емкость является особенно важным параметром, который используется во многих областях.

Что такое емкость

При рассмотрении емкости в первую очередь необходимо посмотреть, что именно она собой представляет. Емкость — это фактически способность накапливать заряд. В простейшей форме конденсатор состоит из двух параллельных пластин. Обнаружено, что когда батарея или любой другой источник напряжения подключены к двум пластинам, как показано, ток течет в течение короткого времени, и одна пластина получает избыток электронов, а другая — слишком мало.

Таким образом, одна пластина с избытком электронов становится отрицательно заряженной, а другая положительно заряженной.

Заряд сохраняется на двух обкладках конденсатора

Если снять батарею, конденсатор сохранит свой заряд. Однако, если резистор помещен между пластинами, ток будет течь до тех пор, пока конденсатор не разрядится.

Соответственно можно определить, что такое емкость:

Определение емкости:

Емкость — это способность компонента или цепи собирать и хранить энергию в виде электрического заряда.Это количество электрического заряда, хранящегося на проводнике при установленной разности электрических потенциалов.

Чем больше пластины, тем больше заряда они могут хранить, а также чем ближе они друг к другу, тем больше заряда они сохраняют. Хранение заряда также зависит от материала между двумя пластинами.

Единицы или емкость

Необходимо уметь определять «размер» конденсатора. Емкость конденсатора является мерой его способности накапливать заряд, а основной единицей измерения емкости является фарад, названный в честь Майкла Фарадея.

Стоит определить Фарада, которая является основной единицей измерения емкости.

Емкость: Определение Фарада:

Конденсатор имеет емкость в один фарад, когда разность потенциалов в один вольт заряжает его с помощью одного кулона электричества (т. е. один ампер за одну секунду).

Конденсатор емкостью один фарад слишком велик для большинства электронных приложений, и обычно используются компоненты с гораздо меньшими значениями емкости. Используются три префикса (множителя): µ (микро), n (нано) и p (пико):

.
Префиксы единиц измерения емкости и множители
Префикс Множитель Терминология
µ 10 -6 (миллионная) 1000000 мкФ = 1Ф
нет 10 -9 (тысячно-миллионная) 1000 нФ = 1 мкФ
р 10 -12 (миллион-миллионный) 1000 пФ = 1 нФ

Электрические поля и диэлектрики

Поскольку на обкладках конденсатора имеется потенциал, существует соответствующее электрическое поле.В случае параллельных пластин силовые линии электрического поля обычно параллельны друг другу и проходят под прямым углом к ​​пластинам.

Пластины конденсатора с линиями электрического поля

Конденсаторам требуется некоторый изолятор между двумя пластинами, иначе заряд не мог бы оставаться на пластинах, он рассеивался бы через среду между двумя пластинами.

Хотя воздух является хорошим изолятором, часто пластины конденсатора необходимо отделять друг от друга каким-либо жестким изолятором.

Упрощенный вид конструкции конденсатора с пластинами и изолирующим диэлектриком

Материал между двумя пластинами называется диэлектриком.Это не только действует как изолятор, но и определяет многие другие свойства. Мера, известная как диэлектрическая проницаемость, влияет на уровень емкости, достижимый для данного размера пластин конденсатора и расстояния между ними.

Высокие уровни относительной диэлектрической проницаемости/диэлектрической проницаемости могут многократно увеличить емкость.

Тема относительной диэлектрической проницаемости, диэлектрической проницаемости и т. д. является самостоятельной темой, и хотя ее легко понять, ее, возможно, следует рассмотреть отдельно.


Зарядка и разрядка конденсаторов

Также можно посмотреть напряжение на конденсаторе, а также посмотреть заряд. Ведь напряжение на нем проще измерить простым измерителем. Когда конденсатор разряжен, на нем нет напряжения. Точно так же, когда он полностью заряжен, ток не течет от источника напряжения, и поэтому он имеет то же напряжение на нем, что и источник.

В идеальной цепи без паразитного сопротивления или индуктивности, когда напряжение подается на конденсатор, он мгновенно заряжается, и напряжение на нем будет таким же, как и на источнике электрического потенциала.

В действительности в цепи всегда будет какое-то сопротивление, и поэтому конденсатор будет подключен к источнику напряжения через резистор. Это означает, что для зарядки конденсатора потребуется конечное время, и повышение напряжения не происходит мгновенно.

Обнаружено, что скорость, с которой повышается напряжение, сначала намного выше, чем после того, как он заряжался в течение некоторого времени. В конце концов он достигает точки, когда он практически полностью заряжен, и ток почти не течет.

Теоретически конденсатор никогда не заряжается полностью, так как кривая асимптотическая. Однако на самом деле он достигает точки, когда его можно считать полностью заряженным или разряженным, и ток не течет.

Напряжение конденсатора при зарядке и разрядке

Точно так же конденсатор всегда будет разряжаться через сопротивление. Когда заряд конденсатора падает, напряжение на пластинах уменьшается. Это означает, что ток будет уменьшаться, и, в свою очередь, скорость уменьшения заряда падает.

Это означает, что напряжение на конденсаторе падает экспоненциально, постепенно приближаясь к нулю.

Скорость нарастания или спада напряжения зависит от сопротивления в цепи. Чем больше сопротивление, тем меньше количество передаваемого заряда и тем больше времени требуется конденсатору для зарядки или разрядки.

Подача переменного сигнала на конденсатор

До сих пор рассматривался случай, когда батарея была подключена для зарядки конденсатора и отключена, а для его зарядки применен резистор.Если к конденсатору приложить переменный сигнал, который по своей природе постоянно меняется, то он будет постоянно заряжаться и разряжаться.

Для этого в цепи должен протекать ток. Таким образом, конденсатор пропускает переменный ток, но блокирует постоянный. Таким образом, конденсаторы используются для передачи сигнала переменного тока между двумя цепями, которые имеют разные постоянные потенциалы.

Кривые тока и напряжения для идеального конденсатора
Примечание: ток опережает кривую напряжения на 90°.

Установлено, что при первом применении синусоидальной волны скорость изменения напряжения максимальна, а это означает, что заряд увеличивается с максимальной скоростью, и, следовательно, ток, протекающий через конденсатор, будет равен в наибольшей степени. Другими словами, ток максимален.

По мере увеличения напряжения на конденсаторе скорость изменения напряжения уменьшается и в результате увеличивается заряд и, следовательно, падает ток. В конце концов достигается пик синусоиды напряжения, когда напряжение не меняется, и, соответственно, ток в этой точке равен нулю.

После пика напряжения напряжение начинает снижаться, соответственно уровень заряда падает и это означает, что из этой точки вытекает ток из конденсатора.

Остальная часть сигнала повторяется аналогичным образом. В результате видно, что напряжение и ток не совпадают по фазе друг с другом. Ток отстает от напряжения на четверть цикла, т. е. на 90°.

Зависимость тока и напряжения идеального конденсатора можно выразить следующим образом:

Vt=sin(ωt)

It=sin(ωt+90)

Реальные конденсаторы

Конденсаторы — это электронные компоненты, которые обеспечивают емкость, необходимую в электрических и электронных цепях.

Конденсаторы бывают самых разных форм, каждая со своими свойствами. Физические конденсаторы могут быть либо для поверхностного монтажа, либо с традиционными выводами, а также иметь различные форм-факторы и электрические характеристики.

Примечание по типам конденсаторов:

Доступно множество различных типов конденсаторов. Хотя емкость является универсальной мерой, разные конденсаторы имеют разные характеристики с точки зрения таких элементов, как максимально допустимый ток, частотная характеристика, размер, напряжение, стабильность, допуск и тому подобное.Чтобы соответствовать этим параметрам, некоторые типы конденсаторов в некоторых приложениях лучше, чем другие,

Подробнее о Типы конденсаторов.

Выбор подходящего конденсатора зависит не только от выбора правильного уровня емкости, но и от многих других аспектов, включая диэлектрическую проницаемость, размер, уровни эквивалентного последовательного сопротивления и многое другое.

Ввиду всех этих требований существует очень широкий выбор этих электронных компонентов, доступных для использования в электрических и электронных схемах и т.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.