Конденсаторы что это такое: Что такое конденсатор, его конструкция, принцип работы и виды простым языком

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 = 10

6 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

Что такое конденсатор и как они используются

Приветствую, друзья!

Мы уже рассматривали, как устроены «кирпичики», из которых собран компьютер.

Вы уже знаете, как устроены и как работают полупроводниковые диоды, полевые и биполярные транзисторы.

Вы уже знакомы с таким понятием, как SMD компоненты.

Давайте познакомимся с еще одной интереснейшей штуковиной — конденсатором.

Из всего многообразия конденсаторов мы рассмотрим лишь те, которые используются в компьютерах и периферийных устройствах.

Что такое конденсатор?

Конденсатор — это деталь с двумя выводами (двухполюсник), позволяющая накапливать энергию.

Конденсатор характеризуется такой величиной, как ёмкость.

Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше энергии он может накопить и тем (грубо говоря) больше его габариты.

Конденсатор может не только накапливать энергию, но и отдавать ее.

Именно в таком режиме он чаще всего и работает.

Конденсатор, в отличие от транзистора, является пассивным компонентом, т.е. есть он не может генерировать или усиливать сигнал.

Как устроен конденсатор?

В простейшем случае конденсатор состоит из двух металлических пластин (обкладок) и диэлектрика (изолятора) между ними. Чем больше размер пластин и чем меньше зазор между ними, тем больше емкость конденсатора.

Вообще говоря, конденсатор накапливает на обкладках заряд (множество элементарных частиц, каждая из которых обладает элементарным зарядом). Чем больший заряд накоплен, тем большая запасена энергия. Ёмкость конденсатора зависит также и от вида диэлектрика.

Две пластины, разделенные тонким воздушным слоем (воздух — тоже диэлектрик), обладают очень небольшой емкостью, и в таком виде конденсаторы не используются.

С помощью специальных материалов и технологических ухищрений научились достаточно большую ёмкость втискивать в очень небольшой объём.

Самый характерный пример — электролитические конденсаторы.

В них две металлические обкладки в виде длинных полос (чаще всего из алюминиевой фольги) разделены слоем бумаги, пропитанной электролитом.

Электролит вызывает образование тонкой пленки оксида (окисла), которая является хорошим диэлектриком.

Поэтому электролитические конденсаторы называют ещё оксидными. Полосы сворачивают и помещают в цилиндрический алюминиевый корпус.

Раньше выводы конденсаторов делали из меди – как из материала с высокой электропроводностью. Теперь же их нередко делают из более дешевых сплавов на основе железа. В этом можно убедиться, если поднести к ним магнит. Фирмачи научились экономить!

В керамических конденсаторах диэлектриком служит пластинка из керамики, а обкладками – напыленные на керамику пленки металлических сплавов.

В каких единицах измеряется емкость конденсатора?

Основная единица для измерения ёмкости – Фарад (Ф, старое название – Фарада).

Но это очень большая величина, поэтому на практике используются её производные — пикофарад (пФ, пикофарада), нанофарад (нФ, нанофарада), микрофарад (мкФ, микрофарада).

Один микрофарад = 1 000 нанофарад = 1 000 000 пикофарад.

В компьютерных блоках питания и в материнских платах используются электролитические конденсаторы ёмкостью несколько сотен или тысяч микрофарад.

Там же применяется малогабаритные керамические конденсаторы ёмкостью несколько сотен или тысяч пикофарад.

Керамические конденсаторы используются чаще всего в виде SMD компонентов.

Как обозначаются конденсаторы в электрических схемах?

Конденсаторы в электрических схемах обозначается в виде двух вертикальных черточек, разделенных небольшим пространством. Графическое изображение напоминает те самые две пластины, разделенные воздушным диэлектриком.

У электролитических конденсаторов возле одной из черточек (обкладок) помещается знак «+».

Это потому, что электролитические конденсаторы обычно имеют полярность, которую надо соблюдать при монтаже.

Отметим, что в некоторых случаях применяются электролитические неполярные конденсаторы.

Рядом наносится значение ёмкости конденсатора.

А если конденсатор электролитический — то и величина его рабочего напряжения.

Записи вида 1000 p (1000 pF) и 3,9 n (3,9 nF) означают соответственно 1000 пикофарад и 3,9 нанофарад (или 3900 пикофарад).

Запись вида 1000uFx16V  означает емкость 1000 микрофарад и рабочее напряжение 16 Вольт.

Напротив отрицательного электрода на корпусе конденсатора наносится соответствующая маркировка (знак «-»).

Где и как используются конденсаторы?

Перед тем как начать рассказывать об области применения конденсаторов, вспомним, что конденсатор это — две пластины, разделенные диэлектриком. Поэтому ток через конденсатор (в первом приближении) идти не может. Однако в цепи с конденсатором могут происходить процессы заряд и разряда. И во время этих процессов в цепи будут протекать токи заряда или разряда.

Таким образом, если переменное напряжение будет приложено  к цепи с конденсатором, в ней будет протекать переменный ток. Поэтому конденсатор можно охарактеризовать такой величиной как емкостное сопротивление (обозначается в технической литературе как Хс).

Емкостное сопротивление зависит от ёмкости конденсатора и частоты приложенного напряжения. Чем ёмкость и частота больше, тем меньше емкостное сопротивление. На этих эффектах основано применение конденсаторов в схемах фильтрации источников питания.

В компьютерных блоках питания для получения постоянных напряжений +3,3, +5, и +12 В используется двухполупериодная схема выпрямление с двумя диодами и фильтрующим конденсатором. Без конденсатора на нагрузке будет пульсирующее напряжение одной полярности.

Источник постоянного напряжения можно представить в виде эквивалентной схемы из генератора и двух сопротивлений, где R1 — это внутреннее сопротивление выпрямителя, а R2 — емкостное сопротивление конденсатора.

Генератор – это сумма постоянного и переменного напряжений (пульсирующее напряжение содержит в себе постоянную и переменную составляющую).

Таким образом, сигнал с генератора подается на частотно-зависимый делитель напряжения. Выходной сигнал снимается с нижнего плеча (конденсатора). Для постоянного напряжения сопротивление конденсатора очень велико, гораздо больше сопротивления выпрямителя. Поэтому уменьшения постоянного напряжения не происходит.

Для переменного напряжения сопротивления конденсатора очень мало, гораздо меньше сопротивления выпрямителя, поэтому происходит сильное ослабление переменной составляющей.

В реальной схеме ситуация несколько сложнее, так как к нижнему плечу делителя подключена нагрузка, обладающая сопротивлением. Поэтому полностью избавиться от пульсаций нельзя, можно только свести их к какому-то небольшому значению.

Вообще, такая комбинация активного сопротивления и конденсатора называется фильтром нижних частот, который пропускает постоянную составляющую и какой-то диапазон низких частот.

Чем выше частота входного переменного напряжения, тем сильнее оно ослабляется.

Так как необходимо сильное подавление пульсаций переменного напряжения, то используется электролитические конденсаторы большой емкости.

Назначение керамических SMD конденсаторов на материнской плате — подавлять высокочастотные помехи, возникающие при переключении транзисторов в микросхемах. Таким образом, электролитические конденсаторы фильтруют относительно низкочастотные помехи и пульсации, а керамические  — более высокочастотные.

Приведем еще один пример разделения переменной и постоянной составляющей. Пусть в схеме на рисунке сигнал в точке А будет иметь постоянную составляющую 5 В и переменную амплитудой 2 В.

После конденсатора,  в точке В будет уже только переменная составляющая той же амплитудой 2 В (если емкостное сопротивление конденсатора мало для такой частоты). Интересно, не правда ли?

По существу, это тоже частотно-зависимый делитель напряжения, где в виде нижнего плеча выступает сопротивление нагрузки. Такую комбинацию называют фильтром верхних частот, который не пропускает постоянную составляющие и низкие частоты, так как в емкостное сопротивление будет для них большим.

Заканчивая, отметим маленькую деталь: так как максимальное напряжение на конденсаторе будет равно сумме постоянной и переменной составляющей, его рабочее напряжение должно быть не менее этой величины.

Купить конденсаторы можно здесь:

Продолжение следует.

 


классификация по характеристикам и функциональному назначению

Конденсаторы являются одним из важнейших пассивных компонентов в электронике. В простейшем случае представляет собой две металлические обкладки, разделенные слоем диэлектрика, толщина которого многократно меньше линейных размеров. Назначение – накопление заряда и энергии электрического поля.

Разнообразные конденсаторы

История

Прототипом первого конденсатора была «лейденская банка», изобретенная в 1745 г. Это была стеклянная банка, в которой обкладками были тонкие листы оловянной фольги, наклеенные на внутренние и внешние стороны стенок. В качестве внешней обкладки могли выступать руки экспериментатора, а в качестве внутренней – жидкость.

Лейденская банка

Обратите внимание! Первый удар током при разряде конденсатора был получен при испытании лейденской банки с ладонями вместо внешней обкладки.

Конструкция конденсатора

Конденсатор представляет собой два проводящих электрода (обкладки), разделенных слоем диэлектрика. Толщина изолятора пренебрежимо мала, по сравнению с его линейными размерами. Емкость увеличивается пропорционально площади обкладок и обратно пропорционально толщине диэлектрика.

В элементах высокой емкости для уменьшения габаритов конструкцию «обкладка – диэлектрик – обкладка» сворачивают в рулон или делают многослойной.

Конструкция конденсаторов

Свойства конденсатора

Поскольку в конструкции конденсатора содержится диэлектрик, то при включении его в цепь постоянного напряжения ток идет только в первый момент времени, при зарядке обкладок.

В цепи переменного напряжения происходит циклическая перезарядка, поэтому наблюдается прохождение тока. Его величина определяется реактивным сопротивлением конденсатора, которое равно:

XC=1/(2πfC), где f – частота колебаний.

Таким образом, становится понятным, почему при постоянном напряжении ток отсутствует (частота равняется нулю, а сопротивление стремится к бесконечности).

Обозначение конденсаторов на схемах

На схемах конденсатор изображается в виде символических обкладок двумя параллельными черточками. С небольшими изменениями все типы конденсаторов используют данное обозначение.

Обозначение на схемах

Основные параметры

Главные параметры конденсаторов, которые используются при проектировании и ремонте устройств радиоэлектроники, – это емкость и номинальное напряжение. Кроме этого, существует еще несколько дополнительных параметров, которые могут влиять на элементы схемы. Конденсаторы имеют следующие основные характеристики.

Ёмкость

Это самый основной параметр, который характеризует накопление электрического заряда. Расчет значения производится по различным формулам, в зависимости от конструкционных особенностей: плоский, цилиндрический или круглый конденсатор. На практике большая их часть выпускается как разновидности плоского. Емкость современных устройств варьируется от единиц пикофарад до десятков тысяч микрофарад и даже единиц фарад.

Удельная ёмкость

Этот относительный параметр привязывает габариты к величине емкости. Таким образом, чем выше удельная емкость, тем меньше габариты конструкции, однако при этом может упасть электрическая прочность (рабочее напряжение).

Плотность энергии

Данный параметр важен при использовании конденсаторов в качестве накопителей энергии, определяет величину энергии на единицу массы или объема элемента.

Номинальное напряжение

Значение напряжения, при котором сохраняются рабочие параметры в течение срока службы, называется номинальным. Рабочее напряжение должно быть меньше номинального.

Важно! Превышение номинального напряжения чревато выходом элемента из строя. Электролитический конденсатор при этом может разрушиться со взрывом. Вопреки распространенному мнению, элемент, включенный в цепь с напряжением, в несколько раз меньше номинального, сохраняет все остальные параметры.

Полярность

Такие виды конденсаторов, как электролитические, зачастую требуют включения в цепь с соблюдением полярности. Поскольку такие элементы используются, в основном, как накопители или фильтры, это не составляет затруднений. Несоблюдение полярности приводит к:

  • несоответствию емкости;
  • повреждению.

Маркировка обязательно содержит информацию о полярности подключения.

Опасность разрушения (взрыва)

Разрушение со взрывом характерно для электролитических конденсаторов. Причиной взрыва является нагрев, который возникает из-за:

  • несоблюдения полярности;
  • расположения рядом с источниками тепла;
  • старения (увеличения утечки и повышения эквивалентного сопротивления).

Для уменьшения последствий разрушения на корпусе в торце ставят предохранительный клапан или формируют насечки на крышке. Такая конструкция гарантирует, что при резком увеличении давления внутри корпуса скопившиеся газы и электролит выделяются через клапан или разрушенную по насечкам крышку. Таким образом, предотвращается взрыв, при котором обкладки и электролит разбрасываются по большой площади и вызывают замыкание элементов плат. Охлаждение устройства снижает вероятность разрушения.

Последствия разрушения

Паразитные параметры

Отдельные виды параметров являются паразитными, которые стараются снизить при конструировании и изготовлении. Их описание приведено ниже.

Эквивалентная схема

Электрическое сопротивление изоляции диэлектрика конденсатора, поверхностные утечки Rd и саморазряд

Данный параметр зависит от свойств диэлектрика и материала корпуса. Он показывает, насколько уменьшается заряд с течением времени у элемента, не включенного во внешнюю цепь. Утечка происходит в результате неидеальности диэлектрика и по его поверхности.

Для некоторых конденсаторов в характеристиках указывается постоянная времени Т, которая показывает время, в течении которого напряжение на обкладках уменьшится в е (2.71) раз. Численно постоянная времени равняется произведению сопротивления утечки на емкость.

Эквивалентное последовательное сопротивление (Rs)

Эквивалентное последовательное сопротивление ЭПС (в англоязычной литературе ERS) слагается из сопротивления материала обкладок и выводов. К нему также может добавляться поверхностная утечка диэлектрика.

По своей сути, ЭПС представляет собой сопротивление, соединенное последовательно с идеальным конденсатором. Такая цепь в некоторых случаях может влиять на фазочастотные характеристики. ЭПС обязательно должно учитываться при проектировании импульсных источников питания и контуров авторегулирования.

Электролитические конденсаторы имеют особенность, когда из-за наличия внутри паров электролита, воздействующих на выводы, величина ЭПС со временем увеличивается.

Эквивалентная последовательная индуктивность (Li)

Поскольку выводы обкладок и сами обкладки металлические, то они имеют некоторую индуктивность. Таким образом, конденсатор представляет собой резонансный контур, что может оказать влияние на работу схемы в определенном диапазоне частот. Наименьшую индуктивность имеют СМД компоненты ввиду отсутствия у них проволочных выводов.

Тангенс угла диэлектрических потерь

Отношение активной мощности, передаваемой через конденсатор, к реактивной, называется тангенсом угла диэлектрических потерь. Данная величина зависит от потерь в диэлектрике и вызывает сдвиг фазы между напряжением на обкладке и током. Тангенс угла потерь важен при работе на высоких частотах.

Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)

ТКЕ означает изменение емкости при колебаниях температуры. ТКЕ может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от того, как ведет себя емкость при изменениях температуры.

Для фильтрующих и резонансных цепей для компенсации температурного дрейфа в одной цепи используют элементы с разным ТКЕ, поэтому многие производители группируют выпускаемые элементы по величине и знаку коэффициента.

Диэлектрическая абсорбция

Данный эффект еще называют эффектом памяти. Проявляется он в том, что при разряде конденсатора через низкоомную нагрузку через некоторое время на обкладках возникает небольшое напряжение.

Величина диэлектрической абсорбции зависит от материалов, из которых изготовлен элемент. Она минимальна для тефлона и полистирола и максимальна для танталовых конденсаторов. Важно учитывать эффект при работе с прецизионными устройствами, особенно интегрирующими и дифференцирующими цепями.

Паразитный пьезоэффект

Так называемый «микрофонный эффект» выражается в том, что при воздействии механических нагрузок, в том числе акустических колебаний, керамический диэлектрик в некоторых типах устройств проявляет свойства пьезоэлектрика и начинает генерировать помехи.

Самовосстановление

Свойством самовосстановления после электрического пробоя обладают электролитические бумажные и пленочные конденсаторы. Такие типы конденсаторов и их разновидности нашли применение в цепях, обеспечивающих запуск электродвигателей, в особенности, если трехфазный асинхронный электродвигатель включается в однофазную сеть. Свойство восстановления широко используется в силовой технике.

Виды конденсаторов

Классификация конденсаторов производится по технологии изготовления и материалу диэлектрика и обкладок. Чтобы полностью классифицировать, какие бывают конденсаторы, требуется большой объем информации. Наибольшее распространение получили такие устройства.

Бумажные и металлобумажные конденсаторы

Бумажные состоят из двух алюминиевых лент, разделенных полосой из конденсаторной бумаги. В металлопленочных вместо алюминиевых лент используется способ напыления металла непосредственно на бумагу. Такие конденсаторы могут восстанавливать характеристики после электрического пробоя.

Распространенная бумажная конструкция

Электролитические конденсаторы

Состоят из металлического анода, у которого оксидный слой на поверхности выполняет роль диэлектрика. Вторая обкладка представлена жидким электролитом. Ввиду того, что слой окиси очень тонкий, емкость таких конструкций может достигать больших величин. Ценой этому следует низкое рабочее напряжение и требование соблюдения полярности.

Электролитические конденсаторы

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Это основной тип электролитических конденсаторов. Отличаются большой погрешностью емкости и низкой стойкостью к повышению температуры.

Танталовые электролитические конденсаторы

Разновидность электролитического, где в качестве анода используется спеченный танталовый порошок. Благодаря развитой поверхности анода, эквивалентная площадь обкладки получается очень большой. Используются в импульсных цепях.

Полимерные конденсаторы

Специальный проводящий органический полимер в таких устройствах используется в качестве замены электролита. Твердотельные электролитические конденсаторы имеют большой срок службы и не взрывоопасны.

Пленочные конденсаторы

В пленочных конструкциях диэлектриком выступают тонкие пленки полистирола, стироплекса, лавсана или фторопласта. Отличаются высокой стабильностью, низкими потерями, поэтому широко используются в высокочастотных устройствах.

Конденсаторы керамические

В данном случае диэлектриком служит керамика или стекло с напыленным слоем металла.

Керамические конденсаторы

Конденсаторы с воздушным диэлектриком

Конструкции низкой емкости, в основном с изменяемой емкостью (переменные) для плавной регулировки частотных характеристик схемы.

Маркировка конденсаторов

Маркировка отличается у различных производителей. В изделиях, производимых в СССР и постсоветских республиках, в маркировке обязательно присутствуют следующие данные:

  • Буквенно-цифровое обозначение, характеризующее тип и технологию изготовления;
  • Значение емкости и погрешность изготовления;
  • Номинальное напряжение;
  • ТКЕ;
  • Дата изготовления.

Для импортных изделий обязательно только обозначение емкости. Остальные параметры наносятся по усмотрению производителя.

Пример маркировки

Невозможно в ограниченном объеме подробно описать все существующие виды конденсаторов. Тем более что их конструкция постоянно совершенствуется, приходят новые технологии, которые позволяют снизить стоимость с одновременным улучшением характеристик.

Видео

электролитические и керамические, ёмкость и заряд [Амперка / Вики]

Конденсатор (capacitor, cap) — это маленький «аккумулятор», который быстро заряжается при наличии напряжения вокруг него и быстро разряжается обратно, когда напряжения недостаточно для удержания заряда.

Основной характеристикой конденсатора является ёмкость. Она обозначается символом C, единица её измерения — Фарад. Чем больше ёмкость, тем больший заряд может удерживать конденсатор при заданном напряжении. Также чем больше ёмкость, тем меньше скорость зарядки и разрядки.

Типичные значения, применяемые в микроэлектронике: от десятков пикофарад (pF, пФ = 0,000000000001 Ф) до десятков микрофарад (μF, мкФ = 0,000001 Ф). Самые распространённые типы конденсаторов: керамический и электролитический. Керамические меньше по размеру и обычно имеют ёмкость до 1 мкФ; им всё равно какой из контактов будет подключен к плюсу, а какой — к минусу. Электролитические конденсаторы имеют ёмкости от 100 пФ и они полярны: к плюсу должен быть подключен конкретный контакт. Ножка, соответствующая плюсу, делается длинее.

Конденсатор представляет собой две пластины, разделённые слоем диэлектрика. Пластины скапливают заряд: одна положительный, другая отрицательный; тем самым внутри создаётся напряжение. Изолирующий диэлектрик не даёт внутреннему напряжению превратиться во внутренний ток, который бы уравнял пластины.

Зарядка и разрядка

Рассмотрим такую схему:

Пока переключатель находится в положении 1, на конденсаторе создаётся напряжение — он заряжается. Заряд Q на пластине в определённый момент времени расчитывается по формуле:

C — ёмкость, e — экспонента (константа ≈ 2.71828), t — время с момента начала зарядки. Заряд на второй пластине по значению всегда точно такой же, но с противоположным знаком. Если резистор R убрать, останется лишь небольшое сопротивление проводов (оно и станет значением R) и зарядка будет происходить очень быстро.

Изобразив функцию на графике, получим такую картину:

Как видно, заряд растёт не равномерно, а обратно-экспоненциально. Это связанно с тем, что по мере того, как заряд копится, он создаёт всё большее и большее обратное напряжение Vc, которое «сопротивляется» Vin.

Заканчивается всё тем, что Vc становится равным по значению Vin и ток перестаёт течь вовсе. В этот момент говорят, что конденсатор достиг точки насыщения (equilibrium). Заряд при этом достигает максимума.

Вспомнив Закон Ома, мы можем изобразить зависимость силы тока в нашей цепи при зарядке конденсатора.

Теперь, когда система находится в равновесии, поставим переключатель в положение 2.

На пластинах конденсатора заряды противоположных знаков, они создают напряжение — появляется ток через нагрузку (Load). Ток пойдёт в противоположном направлении, если сравнивать с направлением источника питания. Разрядка тоже будет происходить наоборот: сначала заряд будет теряться быстро, затем, с падением напряжения создаваемого им же, всё медленее и медленее. Если за Q0 обозначить заряд, который был на конденсаторе изначально, то:

Эти величины на графике выглядят следующим образом:

Опять же, через некоторое время система придёт в состояние покоя: весь заряд потеряется, напряжение исчезнет, течение тока прекратится.

Если снова воспользоваться переключателем, всё начнётся по кругу. Таким образом конденсатор ничего не делает кроме как размыкает цепь когда напряжение постоянно; и «работает», когда напряжение резко меняется. Это его свойство и определяет когда и как он применяется на практике.

Применение на практике

Среди наиболее распространённых в микроэлектронике можно выделить такие шаблоны:

  1. Резервный конденсатор (bypass cap) — для уменьшения ряби напряжения питания

  2. Фильтрующий конденсатор (filter cap) — для разделения постоянной и изменяющейся составляющих напряжения, для выделения сигнала

Резервный конденсатор

Многие схемы расчитаны на получение постоянного, стабильного питания. Например 5 В. Их им поставляет источник питания. Но идеальных систем не существует и в случае резкого изменения потребления тока устройством, например когда включается компонент, источник питания не успевает «отреагировать» моментально и происходит кратковременный спад напряжения. Кроме того, в случаях когда провод от источника питания до схемы достаточно длинный, он начинает работать как антенна и тоже вносить нежелательный шум в уровень напряжения.

Обычно отклонение от идеального напряжения не превышает тысячной доли вольта и это являние абсолютно незначительно, если речь идёт о питании, например, светодиодов или электродвигателя. Но в логических цепях, где переключение логического нуля и логической единицы происходит на основе изменения малых напряжений, шумы питания могут быть ошибочно приняты за сигнал, что приведёт к неверному переключению, которое по принципу домино поставит систему в непредсказуемое состояние.

Для предотвращения таких сбоев, непосредственно перед схемой ставят резервный конденсатор

В моменты, когда напряжение полное, конденсатор заряжается до насыщения и становится запасом резервного заряда. Как только уровень напряжения на линии падает, резервный конденсатор выступает в роли быстрой батарейки, отдавая накопленный ранее заряд, чтобы заполнить пробел пока ситуация не нормализуется. Такая помощь основному источнику питания происходит огромное количество раз ежесекундно.

Если рассуждать с другой точки зрения: конденсатор выделяет из постоянного напряжения переменную составляющую и пропуская её через себя, уводит её с линии питания в землю. Именно поэтому резервный конденсатор также называют «bypass capacitor».

В итоге, сглаженное напряжение выглядит так:

Типичный конденсаторы, который используется для этих целей — керамические, номиналом 10 или 100 нФ. Большие электролитические слабо подходят на эту роль, т.к. они медленее и не смогут быстро отдавать свой заряд в этих условиях, где шум обладает высокой частотой.

В одном устройстве резервные конденсаторы могут присутствовать во множестве мест: перед каждой схемой, представляющей собой самостоятельную единицу. Так, например, на Arduino уже есть резервные конденсаторы, которые обеспечивают стабильную работу процессора, но перед питанием подключаемого к нему LCD экрана должен быть установлен свой собственный.

Фильтрующий конденсатор

Фильтрующий конденсатор используется для снятия сигнала с сенсора, который передаёт его в форме изменяющегося напряжения. Примерами таких сенсоров являеются микрофон или активная Wi-Fi антенна.

Рассмотрим схему подключения электретного микрофона. Электретный микрофон — самый распространённый и повсеместный: именно такой применяется в мобильных телефонах, в компьютерных аксессуарах, системах громкой связи.

Для своей работы микрофон требует питания. В состоянии тишины, его сопротивление велико и составляет десятки килоом. Когда на него воздействует звук, затвор встроенного внутри полевого транзистора открывается и микрофон теряет внутреннее сопротивление. Потеря и восстановление сопротивления происходит много раз ежесекундно и соответствует фазе звуковой волны.

На выходе нам интересно напряжение только в те моменты, когда звук есть. Если бы не было конденсатора C, на выход всегда бы дополнительно воздействовало постоянное напряжение питания. C блокирует эту постоянную составляющую и пропускает только отклонения, которые и соответствуют звуку.

Слышимый звук, который нам и интересен, находится низкочастотном диапазоне: 20 Гц — 20 кГц. Чтобы выделить из напряжения именно сигнал звука, а не высокочастотные шумы питания, в качестве C используется медленный электролитический конденсатор номиналом 10 мкФ. Если был бы использован быстрый конденсатор, например, на 10 нФ, на выход прошли бы сигналы, не связанные со звуком.

Обратите внимание, что выходной сигнал поставляется в виде отрицательного напряжения. То есть при соединении выхода с землёй, ток потечёт из земли к выходу. Пиковые значения напряжения в случае с микрофоном составляют десятки милливольт. Чтобы перевернуть напряжение обратно и увеличить его значение, выход Vout обычно подключают к операционному уселителю.

Соединение конденсаторов

Если сравнивать с соединением резисторов, расчёт итогового номинала конденсаторов выглядит наоборот.

При параллельном соединении суммарная ёмкость суммируется:

При последовательном соединении, итоговая ёмкость расчитывается по формуле:

Если конденсатора всего два, то при последовательном соединении:

В частном случае двух одинаховых конденсаторов суммарная ёмкость последовательного соединения равна половине ёмкости каждого.

Предельные характеристики

В документации на каждый конденсатор указано максимальное допустимое напряжение. Его превышение может привести к пробою диэлектрика и взрыву конденсатора. Для электролитических конденсаторов обязательно должна быть соблюдена полярность. В противном случае либо вытечет электролит, либо опять же будет взрыв.

Что такое конденсатор и для чего он нужен

Объясняя, что такое конденсатор, мы должны четко представлять физические основы работы и конструкцию этого незаменимого элемента каждого мало-мальски серьезного электронного устройства.

Конденсатор — это элемент электрической цепи, состоящий из двух проводящих обкладок, каждая из которых содержит противоположный по знаку электрический заряд. Обкладки разделены диэлектриком, который помогает им сохранять этот заряд.

Существует несколько типов изоляционных материалов, используемых в конденсаторах, в том числе, керамика, слюда, тантал и полистирол. Широко используются в производстве конденсаторов также такие изоляторы, как воздух, бумага и пластик. Каждый из этих материалов эффективно предотвращает обкладки конденсатора от соприкосновения друг с другом.

Что такое емкость конденсатора?

Понятие «емкость конденсатора» характеризует его способность накапливать электрический заряд. Единицей измерения емкости является Фарада.

Если конденсатор сохраняет заряд 1 кулон при разности потенциалов между его обкладками 1 Вольт, то он имеет емкость величиной в одну Фараду. В действительности, эта единица слишком велика для большинства практических применений. Типичные величины емкостей при использовании конденсаторов попадают в диапазоны милифарад (10-3 Ф), микрофарад (10-6 Ф) и пикофарад (10-12 Ф).

Какие бывают конденсаторы?

Чтобы понять, что такое конденсатор, необходимо рассмотреть основные типы этого компонента в зависимости от назначения, условий применения и вида диэлектрика.

Электролитические конденсаторы используются в цепях, где требуется большая емкость. Большинство таких элементов полярны. Обычные материалы для них — тантал или алюминий. Алюминиевые электролитические конденсаторы значительно дешевле и имеют более широкое применение. Тем не менее, танталовые обладают существенно большей объемной эффективностью и имеют превосходные электрические характеристики.

Танталовые конденсаторы имеют в качестве диэлектрика оксид тантала. Отличаются высокой надежностью, хорошими частотными характеристиками, широким диапазоном рабочих температур. Они широко используются в электронной аппаратуре, где необходим высокий уровень емкости при небольших габаритах. В силу своих преимуществ производятся в больших объемах для нужд электронной промышленности.

К недостаткам танталовых конденсаторов можно отнести чувствительность к пульсациям тока и перенапряжениям, а также относительную дороговизну этих изделий.

Силовые конденсаторы, как правило, используются в системах высокого напряжения. Они широко применяются для компенсации потерь в линиях электропередач, а также для улучшения коэффициента мощности в промышленных электроустановках. Изготавливаются из высококачественной металлизированной пропиленовой пленки с применением специальной пропитки нетоксичным изоляционным маслом.

Могут иметь функцию самоликвидации внутренних повреждений, что придает им дополнительную надежность и увеличивает срок службы.

Керамические конденсаторы имеют в качестве материала диэлектрика керамику. Отличаются высокой функциональностью по рабочему напряжению, надежностью, низкими потерями и дешевизной.

Диапазон емкостей  их варьируется от нескольких пикофарад до примерно 0,1 мкФ. В настоящее время являются одним из наиболее широко используемых типов конденсаторов, используемых в электронном оборудовании.

Серебряные слюдяные конденсаторы пришли на смену широко распространенным ранее слюдяным элементам. Обладают высокой стабильностью, герметичным корпусом и большой емкостью на единицу объема. 

Широкому применению серебряно-слюдяных конденсаторов мешает их относительная дороговизна.

У бумажных и металлобумажных конденсаторов обкладки изготовляются из тонкой алюминиевой фольги, а в качестве диэлектрика используется специальная бумага, пропитанная твердым (расплавленным) или жидким диэлектриком. Применяются в низкочастотных цепях радиоустройств при больших токах. Отличаются относительной дешевизной.

Для чего нужен конденсатор

Имеется целый ряд примеров использования конденсаторов в самых разнообразных целях. В частности, их широко применяют для хранения аналоговых сигналов и и цифровых данных. Конденсаторы переменной емкости используются в телекоммуникационной связи для регулировки частоты и настройки телекоммуникационного оборудования.

Типичным примером их применения является использование в источниках питания. Там эти элементы выполняют функцию сглаживания (фильтрацию) выпрямленного напряжения на выходе этих устройств. Они также могут быть использованы в умножителях напряжения для генерации высокого напряжения, многократно превышающего входное напряжение. Конденсаторы широко применяются в различного рода преобразователях напряжения, устройствах бесперебойного питания для компьютерной техники и т.д.

Объясняя, что такое конденсатор, нельзя не сказать, что этот элемент может служить и отличным хранилищем электронов. Однако реально эта функция имеет определенные ограничения по причине неидеальности изоляционных характеристик используемого диэлектрика. Тем не менее конденсатор обладает свойством достаточно длительное время хранить электрическую энергию при отключении от цепи заряда, поэтому он может быть использован как временный источник питания.

Благодаря своим уникальным физическим свойствам эти элементы нашли настолько широкое применение в электронной и электротехнической промышленности, что сегодня редко какое электротехническое изделие не включает в себя по крайней мере один такой компонент для какой-либо цели.

Подводя итоги, можно констатировать, что конденсатор — это бесценная часть огромного множества электронных и электротехнических устройств, без которых был бы немыслим дальнейший прогресс в науке и технике.

Вот что такое конденсатор!

Силовые конденсаторы. Характеристики и применение

В цепях с высоким напряжением часто применяются специальные установки, которые называют силовыми конденсаторами. Они могут использоваться для стабилизации потока электричества в сети, для увеличения мощности установки, специальная конструкция позволяет набирать большую емкость. Применяются также для компенсации реактивной мощности.

Силовые конденсаторы

Устройства, применяемые в силовых электрических сетях с высоким или низким напряжением, а также в установках с повышенной частотой. Силовые конденсаторы могут использоваться как самостоятельно, так и в сборе в батареи. В отличие от конденсаторов, используемых в радиоэлектронике, силовые имеют значительные вес и размеры, а также большую емкость и реактивную мощность. Исключением являются устройства применяемые для электроники управления в силовых сетях, так называемые конденсаторы для силовой электроники.

Виды

В зависимости от области применения силовые конденсаторы разделяют на следующие основные виды:

  • Приборы для электроустановок с переменным током частотой широкого применения в промышленности.
  • Силовые конденсаторы в электрических сетях повышенной частоты.
  • Устройства связи, отбора мощности и измерения напряжения.
  • Фильтровые.
  • Импульсные.

Конденсаторы для установок промышленной частоты

К данному виду относят устройства для увеличения коэффициента мощности в установках переменного тока с определенной, постоянной частотой 50 Гц. Такие приборы выполняют как для внутреннего, так и для применения вне помещения при температуре не более 50 °С. Они выполняются как в однофазном, так и трехфазном исполнении. При трехфазном исполнении силовой косинусный конденсатор соединяется в виде треугольника. Иногда применяют предохранитель для защиты от пробоя.

Автоматическое прерывание питания конденсаторов при перегрузке силовой сети по току за счет повышенного напряжения обеспечивает специальное электротоковое реле. Защиты от токов короткого замыкания добиваются за счет установки плавких предохранителей. В схемах управления для включения и отключения применяют магнитные пускатели большой величины, установки оснащаются возможностью регулировки и индикаторами рабочего состояния.

Конденсаторы для установок повышенной частоты

К данному виду относят силовые электрические конденсаторы для повышения потребления полезной мощности в электроустановках с частотой от 0,5 до 10 кГц со специальным охлаждением. Пакет приборов собирают из отдельных самостоятельных секций, соединенных между собой параллельно, либо, если необходимо, то последовательно, с одной стороны к обкладкам припаивают специальный змеевик охлаждения, представляющий собой изогнутую медную трубку, по которой во время работы устройства подается охлаждающая жидкость. Змеевик охлаждения используется в качестве токоподвода, другие обкладки секций с противоположной стороны пакета конденсаторов изолированы от корпуса и присоединены к токоподводам. Секции, соединенные параллельно, образуют ступени с самостоятельными выводами через фарфоровые изоляторы на крышку корпуса.

Конденсаторы связи, отбора мощности и измерения напряжения

Для обеспечения стабильной емкостной составляющей связи по ЛЭП, для телемеханизации и защиты в широком диапазоне частот от 36 до 750 кГц используют приборы в изолированных фарфоровых корпусах с изолированным диэлектриком из пропитанной минеральным маслом конденсаторной бумаги, классом напряжения 36 до 500 кВ. Силовые конденсаторы напряжением 500 кВ применяются также для измерения напряжения на ЛЭП и отбора мощности для обеспечения электроэнергией пунктов переключения и управления, которые специально располагаются вдоль линий электропередачи высокого напряжения.

Конструктивными особенностями данного вида является фарфоровая покрышка, крышки, которые являются выводами, уплотнители, обеспечивающие герметичность конденсатора, а также масляные расширители.

Фильтровые и импульсные конденсаторы

Фильтровые устройства предназначены для работы в контурах фильтров высокой частоты специализированных тяговых подстанций как внутри помещения, так и снаружи. Они работают при одновременном наложении напряжения постоянного и переменного тока частотой от 100 до 1600 Гц, при этом значение напряжения переменного тока не должно превышать соответственно 1 кВ. Данный вид также применяется для работы в преобразователях постоянного тока, содержащих импульсные тиристоры.

Фильтровые конденсаторы используют для сглаживания скачков переменной составляющей в устройствах выпрямления высокого напряжения в сети, а также в схемах с удвоенным напряжением в среде диэлектрического трансформаторного масла и в контурах фильтров высокой частоты тяговых подстанций.

В электроустановках, используемых для высоковольтных импульсных подстанций, а также установках, используемых для магнитной штамповки, сейсмической разведки и дроблении пород, используют импульсные силовые конденсаторы. Их применяют в электрофизических установках для создания и исследования высокотемпературной плазмы, а также для сверхсильных импульсных токов. Для создания мощных источников света импульсного характера, а также для исследования при помощи лазерных установок применяют, именно, импульсные силовые конденсаторы.

Особенность работы данных устройств — это медленно текущий заряжающий момент, и, наоборот, разряд происходит быстро, импульсно. Кроме таких конденсаторов применяют еще генераторы импульсных напряжений сети.

Генератор импульсных напряжений сети применяют в основном для электрогидравлических установок, использующих электрический разряд в технологических целях, обусловленными специальными условиями производства или технологического процесса. Такие генераторы имеют исполнение на напряжение сети 380, 400, 415, 440 В. Номинальное напряжение выхода составляет 50 кВ, полная выходная мощность 18 кВт, коэффициент реактивной мощности 0,73.

Генераторы напряжения импульсного характера выполняют из двух блоков заряжающего и высоковольтного отделения. Заряжающий блок включает в себя понизительный трансформатор и шкаф с преобразователем, содержащим емкостно-индуктивную составляющую. Высоковольтное отделение представлено шкафом с силовыми конденсаторами, защитным устройством и разрядником, а также обязательно присутствует разделительное заземление.

Конденсаторы

: основы, работа и различные типы конденсаторов с их применением в схемах

Конденсаторы — это слово, кажется, предлагает идею емкости , что, согласно словарю, означает «способность что-то удерживать». Это ровно то же самое, что конденсатор — он держит электрический заряд. Но что делает его общим компонентом почти во всех электронных схемах? Давайте разберемся с конденсаторами, чтобы понять, что они делают и как их можно использовать в этой статье.

Что такое конденсатор?

Конденсатор в самом примитивном виде состоит из двух проводящих пластин, разделенных диэлектрической средой. Термин диэлектрик — это просто модное слово для изолятора, который может быть поляризован, то есть образовывать отрицательные и положительные заряды на противоположных сторонах. Когда напряжение подается на эти две пластины, ток течет через проводящие пластины. Одна сторона заряжается положительно (отсутствие электронов), а другая сторона заряжается отрицательно (избыточные электроны).Все мы знакомы с тем фактом, что в отличие от зарядов притягиваются, поэтому поскольку пластины заряжены противоположно, заряды на пластинах притягиваются.

Помните, что между пластинами находится изолятор , поэтому заряды не могут «течь», чтобы уравновесить друг друга, и (в идеале) застревают во взаимном притяжении и остаются на месте. Именно так конденсаторы выполняют свою основную функцию — удержание или накопление заряда.

Обозначение конденсаторов

Поскольку конденсаторы имеют две параллельные металлические пластины, как обсуждалось выше, их символ обозначает то же самое.По крайней мере,

легко нарисовать

В практическом случае конденсаторы больше не представляют собой просто две пластины с зазором между ними. В случае алюминиевых электролитов две пластины имеют форму металлической фольги, свернутой с прокладкой между ними в трубке.

Второй набор символов обозначает поляризованные конденсаторы, то есть конденсаторы, у которых внутренняя конструкция определяет положительные и отрицательные клеммы. Случайное переключение этих клемм почти наверняка приведет к серьезному отказу (особенно для более крупных образцов), выбросу кусочков фольги и бумажных счетчиков из места отказа, и в большинстве случаев с очень неприятным запахом.

Номинальная емкость и напряжение конденсатора

Конденсаторы измеряются в фарадах ; он назван в честь известного британского электрохимика Майкла Фарадея. Единица емкости, заменяющая кулон на вольт. Кулон (произносится как «ку-лом») — это единица измерения заряда, а вольт, как мы знаем, — это единица измерения напряжения или разности потенциалов. Это делает Фарад количеством заряда, хранящегося на вольт разности потенциалов.Этот простой способ математического рассмотрения конденсатора поддается широкому диапазону интерпретаций, что проявляется во множестве смертельно сложных математических уравнений, таких как интегралы, показатели и векторы, которые мы, инженеры, будем использовать при работе с конденсаторами, что выходит далеко за рамки простого Объем этой статьи. Тем не менее, мы рассмотрим небольшую интересную математику, которая поможет нам разработать схемы с конденсаторами позже, в статье

.

Конечно, Фарад (один кулон на вольт) — очень большая единица для большинства практических целей (поскольку кулон сам по себе представляет собой довольно большой заряд, как вы, возможно, уже знаете), поэтому большинство конденсаторов (кроме очень больших) ) измеряются в микрофарадах, или одной миллионной (0.000001) Фарада. Предположим, у вас есть конденсатор с показателем 25 В 10 мкФ (префикс «u» означает «микро», это искажение греческого символа «μ», означающего «микро») на пластиковой внешней крышке. Поскольку колпачок (короткий в мире электроники для конденсаторов) рассчитан на 10 мкФ, он может удерживать заряд в десять микрокулонов (то есть десять миллионных кулонов, 0,000010 C) на вольт напряжения на его выводах. Это означает, что при максимальном напряжении 25 В конденсатор может удерживать заряд 25 В x 10 мкФ, что составляет 0.000250 Кулонов.

Помните, я сказал «максимальное» напряжение. Максимальное напряжение, вероятно, является наиболее важным значением конденсатора. Он сообщает вам, какое напряжение конденсатор может выдержать на своих выводах, прежде чем он выйдет из строя ………!

Работа конденсатора

В основном то, что происходит внутри конденсатора, заключается в том, что изолятор между этими пластинами подвергается процессу, называемому «диэлектрическим пробоем», что означает, что изолятор больше не может изолировать, поскольку напряжение на изоляторе слишком велико, чтобы он мог оставаться изолятором .Физика, лежащая в основе, несколько выходит за рамки, но все, что вам нужно знать, чтобы понять, почему это происходит, — это то, что ни один изолятор не является идеальным, то есть до определенного момента. Даже самый прочный мост разрушается при перегрузке. Здесь происходит то же самое. Чтобы уменьшить пробой, вы можете увеличить зазор между двумя пластинами, но это связано с компромиссом — уменьшенной емкостью, поскольку пластины расположены дальше друг от друга, и заряды не притягиваются так сильно, как при сближении — во многом как как ведут себя магниты.

Хорошее практическое правило — использовать колпачки, рассчитанные на 50% большее напряжение, чем то, что можно ожидать от вашей схемы. Это оставляет большой запас прочности. Например, если вам нужен конденсатор для развязки (не беспокойтесь, развязка будет объяснена позже в статье) шины питания 12 В, вы можете обойтись и конденсатором 16 В, но рекомендуется использовать конденсатор 25 В, так как он дает вам широкий запас прочности. Хорошо, вы узнали это !! Да, 25 В, конечно, не на 25% больше, чем 12 В, но 18 В не является стандартной емкостью конденсатора — вы не найдете конденсатора с таким номинальным напряжением.Ближайший — 25В.

Различные типы конденсаторов

Причина диапазонов напряжения пробоя связана с материалом, используемым в качестве диэлектрика, который также является основой классификации конденсаторов:

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Это, наверное, самые узнаваемые конденсаторов типа . Они поставляются в характерных металлических банках с пластиковой оболочкой, с четко указанными значениями напряжения и емкости и белой полосой, обозначающей катод.Название происходит от того факта, что, как упоминалось выше, «пластины» изготовлены из алюминиевой фольги с химическим травлением. Процесс травления делает алюминий пористым (как губка) и значительно увеличивает площадь его поверхности, а значит, и емкость. Диэлектрик представляет собой тонкий слой оксида алюминия. Эти конденсаторы заполнены маслом, которое действует как электролит, отсюда и название. Электролитические конденсаторы поляризованы из-за их внутренней конструкции. Они имеют большую емкость по сравнению с другими членами семейства конденсаторов, но при гораздо более низком напряжении.Вы можете ожидать увидеть электролиты от 0,1 мкФ до таких монстров, как 100 мФ, и с номинальным напряжением от нескольких вольт до примерно 500 В. Однако их внутреннее сопротивление обычно велико.

БОКОВОЕ ПРИМЕЧАНИЕ: Внутреннее сопротивление в конденсаторах обусловлено материалами, из которых изготовлен колпачок, например, сопротивлением алюминиевой фольги или сопротивлением проводов.

Конденсаторы керамические

Это колпачки с керамическим диэлектриком.Поскольку предел пробоя для керамического диэлектрика довольно высок, вы можете ожидать увидеть керамические колпачки с сумасшедшими пробивными напряжениями, такими как 10 кВ. Однако емкость обычно бывает низкой, в диапазоне от пикофарад (0,000000000001F) до нескольких десятков микрофарад. Как правило, они намного меньше конденсаторов других типов , как показано на рисунке. У них также очень маленькое внутреннее сопротивление.

Идентификация керамических конденсаторов

Значение керамической емкости на керамическом конденсаторе не указывается напрямую.0 равно 0.

Номинальное напряжение конденсатора можно найти, используя строку под этим кодом. Если линия есть, то значение напряжения составляет 50/100 В, если линии нет, то это 500 В.

Наиболее часто используемые значения конденсаторов вместе с их преобразованием в Пико Фарад, Нано Фарад и микрофарады приведены ниже.

Код

Пикофарад (пФ)

Нанофарад (нФ)

Микрофарад (мкФ)

100

10

0.01

0,00001

150

15

0,015

0,000015

220

22

0,022

0,000022

330

33

0.033

0,000033

470

47

0,047

0,000047

331

330

0,33

0,00033

821

820

0.82

0,00082

102

1000

1,0

0,001

152

1500

1,5

0,0015

202

2000

2.0

0,002

502

5000

5,0

0,005

103

10000

10

0,01

683

68000

68

0.068

104

100000

100

0,1

154

150000

150

0,15

334

330000

330

0.33

684

680000

680

0,68

105

1000000

1000

1,0

335

3300000

3300

3.3

Пленочные конденсаторы

Как следует из названия, диэлектрик в этих конденсаторах представляет собой пластиковую пленку, часто знакомую пластику, такую ​​как майлар и полиэстер. Они имеют те же свойства, что и керамические колпачки, имеют высокое напряжение пробоя (из-за свойств пластичных полимеров) и низкую емкость. Единственная разница в том, что они, как правило, немного больше, хотя внешне похожи на керамические колпачки. Внутреннее сопротивление сопоставимо с керамическими колпачками.

Танталовые и ниобиевые конденсаторы

Эти конденсаторы технически подпадают под категорию электролитических конденсаторов. Здесь электролит представляет собой твердый материал из оксидов тантала или ниобия. У них очень низкое внутреннее сопротивление для данной емкости, однако они менее устойчивы к перенапряжению по сравнению с другими типами (керамика лучше всего) и, как правило, капут без особого предупреждения и с большим количеством неприятного черного дыма.

Конденсаторы специального назначения

Сюда входят серебряно-слюдяные колпачки, колпачки с рейтингом X и Y и т. Д.Конденсаторы с номиналами X и Y, например, созданы для фильтрации линии — более прочная конструкция и более высокие номиналы напряжения, а также низкие емкости, чтобы уменьшить ток, проходящий через них, если применяется переменное напряжение, и ограничить энергию, хранящуюся в конденсаторе, если постоянный ток подается напряжение.

Суперконденсаторы и ультраконденсаторы

Они выводят конденсаторы на совершенно новый уровень, значительно увеличивая их емкость, иногда до сотен Фарад! Это возможно благодаря какой-то умной химии.Суперконденсаторы и ультраконденсаторы устраняют разрыв между конденсаторами и химическими батареями. Однако они бывают с очень низким напряжением.

И это почти все распространенных типов конденсаторов , которые вы обычно можете встретить в мире электроники.

Принцип работы конденсаторов в цепях

Первой полезной задачей было бы научиться рассчитывать запасы энергии в конденсаторе, который определяется формулой

E = 1 / 2CV 2

Где E — запасенная энергия в джоулях, C — емкость в фарадах, а V — напряжение в вольтах.Обратите внимание, что это уравнение принимает форму многих других уравнений Ньютона для энергии, аккуратное пасхальное яйцо!

Предположим, у вас есть крышка, рассчитанная на напряжение 50 В и с емкостью 1000 мкФ, запасенная энергия при полных 50 В будет:

1/2 * 0,001000F * 50 В * 50 В

Что составляет жалкие 1,25Дж накопленной энергии.

Это показывает главный недостаток конденсаторов как устройств накопления энергии — накопленная энергия для данного размера очень мала, батарея того же размера будет иметь как минимум в тысячу раз больше накопленной энергии! Однако у крышек внутреннее сопротивление намного ниже, чем у химических батарей, что позволяет им быстро сбрасывать всю накопленную энергию.Замыкание батареи приведет к ее нагреву только из-за мощности, рассеиваемой внутренним сопротивлением, но короткое замыкание конденсатора вызовет лишь несколько искр, поскольку весь заряд сбрасывается сразу без повреждения конденсатора.

Во-вторых, есть еще одна аккуратная формула, которая связывает напряжение, ток и емкость:

I / C = dV / dt

Где I — ток, подаваемый на конденсатор в амперах, C — емкость в фарадах, а dV / dt — скорость изменения напряжения на выводах конденсатора.Подумайте об этом с точки зрения единицы измерения — вольт в секунду для заданного тока и емкости. Не беспокойтесь о маленькой букве «d», это просто математический способ сказать «до предельного нуля».

Допустим, у вас есть источник питания, который выдает постоянное напряжение 5 В при постоянном токе 1 мА, а затем, изменив уравнение, мы можем найти время, необходимое для зарядки конденсатора 100 мкФ до 5 В:

дт = CdV / I

dt = (0,000100F * 5 В) / 0,001A

dt = 0,5 секунды

Значит, конденсатор будет заряжаться до 5 В в 0.5 секунд. (Помните, что конденсатор может заряжаться только до максимального напряжения, подаваемого на него, и никогда больше, они не могут волшебным образом «создать» напряжение.)

Такое предсказуемое поведение конденсатора делает его очень полезным для создания временных задержек, например, с помощью небольшой дополнительной схемы. Вы можете изменить уравнение, чтобы получить время.

А теперь о хорошем — схемах конденсаторов!

Поведение конденсатора в цепях

Давайте начнем с простого — разные способы соединения конденсаторов.Это почти то же самое, что соединение двух резисторов — вы можете соединить их последовательно или параллельно.

Параллельные конденсаторы

На рисунке ниже показаны три конденсатора, подключенные параллельно, со всеми соответствующими положительными и отрицательными клеммами, соединенными вместе (при условии, что колпачки поляризованы). Общая емкость этого устройства — это просто сумма всех емкостей всех конденсаторов в цепи. Это имеет смысл, поскольку параллельное соединение пластин конденсатора увеличивает площадь поверхности, увеличивая емкость.

Максимальное напряжение, которое может выдержать такая конструкция, — это напряжение наименьшего конденсатора, так как напряжение является общим для всех конденсаторов.

Пример должен прояснить это. Предположим, у вас есть два конденсатора, один с номиналом 25 В 470 мкФ, а другой 35 В 1000 мкФ. Общая емкость будет 470 мкФ + 1000 мкФ = 1470 мкФ. Однако максимальное напряжение, которое вы можете подать на эту батарею (связку соединенных вместе конденсаторов, можно назвать «батареей конденсаторов»), будет всего 25 В.Если вы поместите что-то большее, чем это, на этом берегу, полетят искры, поскольку вы превысите максимальное значение. напряжение конденсатора 25В.

Конденсаторы последовательно

Параллельное подключение конденсаторов особенно полезно, если вам нужна большая емкость, но у вас есть только небольшие значения. Параллельное соединение этих меньших значений значений в конечном итоге даст вам большее значение и выполнит свою работу, если вы помните о напряжении.

Последовательное соединение конденсаторов несколько сложнее.Емкость определяется по формуле:

1 / Cобщ. = 1 / C1 + 1 / C2 +… + 1 / Cn

Где C1, C2… Cn — емкости каждого конденсатора, используемого в цепи.

Напряжение, которое может выдержать банк, представляет собой сумму всех номинальных напряжений.

Если у вас есть конденсатор на 10 В 1 мкФ и конденсатор на 50 В 10 мкФ, то напряжение, которое банк может выдерживать последовательно, составит 10 В + 50 В = 60 В. Емкость составляет 0,9091 мкФ.

Зависимость напряжения конденсатора от времени

Что, если мы хотим зарядить конденсатор? Мы могли бы просто подключить его к источнику напряжения, как показано на рисунке ниже.Здесь может произойти следующее: в момент подключения источника напряжения, если предположить, что крышка полностью разряжена, заряды стремятся накапливаться на пластинах, что приводит к очень большому (теоретически бесконечному!) Всплеску тока, ограниченному только внутренним сопротивлением конденсатора. конденсатор. Это, конечно, нежелательно, если ваш источник питания представляет собой что-то вроде батареи. Разумной идеей было бы добавить резистор последовательно с конденсатором и источником напряжения для ограничения тока, как показано на рисунке, и вуаля! У вас есть что-то, что инженеры называют RC-цепью, «R» для резистора и «C» для конденсатора!

Эта схема демонстрирует интересное поведение.Когда напряжение подается на сторону резистора, обозначенную «I», напряжение на конденсаторе медленно растет, поскольку ток ограничен. График выглядит примерно так:

Более склонные к математике из моих зрителей распознают форму наклона — она ​​напоминает форму экспоненциальной функции!

Помните, как я сказал, что заглавные буквы можно использовать для создания задержек по времени? Это один из способов сделать это без источника постоянного тока (который требует дополнительных схем).Поскольку время, необходимое для достижения определенного напряжения, предсказуемо, если мы знаем емкость, напряжение и сопротивление, мы можем создавать схемы с временной задержкой.

Произведение сопротивления и емкости, RC, известно как постоянная времени цепи. Этот параметр становится полезным для фактического определения точного времени достижения заданного напряжения, как показано на графике ниже.

На графике видно, что конденсатор достигает 63% приложенного напряжения за одну постоянную времени и так далее.

Это принцип, который использует всесезонный таймер 555, хотя расчетные уравнения немного отличаются.

Еще одно интересное применение RC-цепей — фильтрация сигналов, то есть удаление из схемы электрического сигнала нежелательной частоты. RC-цепи требуется определенное время для зарядки и разрядки от источника. Если мы применим периодическую волну с периодом времени больше, чем RC, то такой же сигнал появится на выходе с очень небольшими искажениями.Однако при увеличении частоты сигнал продолжает менять полярность быстрее, чем цепь может заряжаться и разряжаться, и в конечном итоге после определенного момента сигнал исчезает, и все, что у вас остается, — это чистый постоянный ток! Это называется ослаблением сигнала. Как вы можете видеть, RC-схема действует как фильтр, который блокирует сигналы переменного тока (даже те, которые наложены на постоянный ток, то есть имеют смещение постоянного тока) за пределами определенной частоты. Этот вид фильтра называется фильтром нижних частот, то есть он пропускает низкие частоты, но не пропускает высокие частоты.

Конденсаторы в цепях переменного тока

Конденсаторы

интересным образом ведут себя при включении в цепи переменного тока. С точки зрения сигнала, их можно рассматривать как частотно-зависимые резисторы. Как видно выше, RC-схема блокирует весь переменный ток от сигнала, но что происходит, когда конденсатор соединен последовательно с источником переменного напряжения? С точностью до наоборот!

Поскольку конденсатор представляет собой всего лишь две металлические пластины, разделенные изолятором, он не пропускает через себя постоянный ток.Однако сигнал переменного тока имеет постоянно меняющиеся напряжения, поэтому одна пластина видит изменяющееся напряжение и индуцирует противоположный заряд на другой пластине, как показано на рисунке:

В целом это позволяет току «проходить» через конденсатор на относительно высоких частотах. Добавление резистора параллельно выходу создает фильтр высоких частот, то есть фильтр, который пропускает только высокие частоты и блокирует все сигналы постоянного тока.

«Сопротивление переменному току» или полное сопротивление конденсатора определяется по формуле:

XC = 1 / (2 * π * f * C)

Где XC — емкостное реактивное сопротивление или импеданс, f — частота, а C — емкость.Вы можете использовать эту формулу для расчета виртуального «сопротивления» конденсатора в цепи переменного тока.

Где можно найти конденсаторы

Ладно, теории хватило. Давайте рассмотрим множество вариантов использования конденсаторов .

Первое место, где вы могли бы ожидать увидеть конденсаторы, — это всевозможные источники питания в качестве фильтров и для развязки. Они действуют как зарядные резервуары, обеспечивая быстрый ток, когда он нужен нагрузке.

Вот два снимка осциллографа, которые показывают эффект отсутствия конденсатора на выводах источника питания.Как видите, наличие конденсаторов значительно снижает «шум» на шинах источника питания, тем самым защищая хрупкие детали от внезапных скачков напряжения.

Их также называют «развязывающими» конденсаторами , поскольку они «развязывают» участки цепи, в которой они установлены, от источника питания. Иногда провода питания на печатной плате могут быть довольно длинными и иметь высокую индуктивность и сопротивление. Это может привести к тому, что они будут обеспечивать меньший ток, чем обычно.Наличие конденсатора на конце линии питания похоже на временную «батарею» меньшего размера на устройстве, обеспечивающую всплески тока, когда это необходимо, и зарядку, когда устройство потребляет малую мощность.

Вы можете использовать формулу I / C = dV / dt для расчета емкости, необходимой для устранения «пульсаций» напряжения с клемм источника питания.

Предположим, у вас есть источник питания , напряжение которого изменяется от 11,5 В до 12 В (пульсация) каждые 10 мс, что является обычным для устройств с питанием от сети из-за частоты 50 Гц, и вам необходимо установить крышку на клеммы, чтобы сгладить вольтаж.Если ток нагрузки в этом случае составляет 1А, то мы можем переписать формулу таким образом, чтобы узнать емкость:

(I * dt) / dV

Где I — ток нагрузки, dt — период шума, а dV — напряжение пульсации. Подставляя значения, мы находим, что нам нужна емкость 20000 мкФ. Может показаться, что это много, но вам может сойти с рук гораздо меньше. Полученное значение служит только ориентировочным.

В реальной жизни вы можете встретить несколько типов и значений конденсаторов на трассах питания, это сделано для уменьшения содержания шума на многих частотах и ​​получения максимально плавного напряжения.

Еще одно применение конденсаторов — в таких сложных фильтрах, как этот:

Но более простым фильтром был бы RC-фильтр , здесь описан один интересный фильтр.

Плата микроконтроллера Arduino известна всем. Универсальный инструмент, но вы никогда не задумывались, почему аналоговые выходы выдают цифровой сигнал ШИМ? Это потому, что они были разработаны для использования с внешней сетью фильтрации для сглаживания напряжения ШИМ до действительно аналогового напряжения.Это можно сделать с помощью таких простых деталей, как резистор 1 кОм и конденсатор 10 мкФ. Попытайся!

Другое использование, как упомянуто выше, — это время. Простой генератор может быть построен с использованием логического элемента И-НЕ (попробуйте выяснить, почему логический элемент И не работает), резистора и конденсатора.

Предполагая, что изначально на конденсаторе нет напряжения, входы И-НЕ (которые связаны вместе) видят на них напряжение, близкое к 0 В, и включают выход. Теперь крышка заряжается через резистор.Когда он достигает «высокого» порога затвора, выходной сигнал переключается на низкий уровень, и теперь крышка разряжается. Этот цикл продолжает формировать выходной сигнал прямоугольной формы с частотой, зависящей от значений R и C.

Наконец, еще одно интересное применение конденсаторов — накопление энергии. Конечно, конденсаторы не подходят для аккумуляторов, но для некоторых приложений, которые быстро нуждаются в энергии, лучше всего подходят конденсаторы.

Устройства, такие как койлганы (больше можно найти в Интернете), нуждаются в большом импульсе тока для ускорения снаряда, поэтому для таких целей используются высоковольтные конденсаторы, часто с такими номиналами, как 450 В, 1500 мкФ, которые могут хранить значительные количества энергии.

Заключение

Вот и все! Теперь вы знаете о конденсаторах значительно больше, чем то, с чего начинали. Теперь вы можете создавать простые конденсаторные цепи. Помните, что есть еще много чего узнать, и не переключайте клеммы источника питания!

Что такое конденсатор? (с рисунком)

Конденсатор — это инструмент, состоящий из двух проводящих пластин, на каждой из которых находится противоположный заряд. Эти пластины разделены диэлектриком или изолятором другой формы, который помогает им поддерживать электрический заряд.В конденсаторах используются несколько типов изоляторов, включая керамические, полиэфирные, танталовые, воздушные и полистирольные. Другие распространенные изоляторы включают воздух, бумагу и пластик. Каждый из них эффективно предотвращает соприкосновение пластин друг с другом.

Бен Франклин использовал лейденскую банку в своем знаменитом эксперименте с воздушным змеем.

Существует несколько различных способов использования конденсатора, например, для хранения аналоговых сигналов и цифровых данных. Другой тип используется в индустрии телекоммуникационного оборудования для регулировки частоты и настройки телекоммуникационного оборудования. Это часто называют конденсатором переменной емкости . Конденсатор также идеально подходит для хранения электронов, но не может их создавать.

Первым конденсатором была лейденская банка, изобретенная в Нидерландском университете в 18 веке.Он представляет собой стеклянную банку, покрытую металлом изнутри и снаружи. Стержень соединен с внутренним слоем металла, проходит через крышку и завершается металлическим шариком. Как и все конденсаторы, банка содержит противоположно заряженный электрод и пластину, разделенную изолятором. Лейденская банка использовалась для проведения экспериментов с электричеством в течение сотен лет.

А конденсатор можно измерить по напряжению, которое различается на каждой из двух внутренних пластин.Обе пластины заряжены, но ток течет в противоположных направлениях. Конденсатор содержит 1,5 вольта, что соответствует напряжению в обычных батареях AA. Когда используется напряжение, одна из двух пластин заполняется постоянным током. В то же время ток течет от другой пластины.

Чтобы понять поток напряжения в конденсаторе, полезно взглянуть на естественные примеры.Молния, например, работает аналогичным образом. Облако представляет одну из пластин, а земля — ​​другую. Молния — это фактор зарядки, движущийся между землей и облаком.

Что такое конденсаторная батарея? (с рисунками)

Конденсаторная батарея — это группа из нескольких идентичных конденсаторов, соединенных параллельно или последовательно друг с другом.Эти группы конденсаторов обычно используются для исправления или противодействия нежелательным характеристикам, таким как отставание коэффициента мощности или фазовые сдвиги, присущие источникам электропитания переменного тока (AC). Батареи конденсаторов также могут использоваться в источниках питания постоянного тока (DC) для увеличения накопленной энергии и улучшения способности источника тока пульсации тока.

Подстанция.

Одиночные конденсаторы — это электрические или электронные компоненты, накапливающие электрическую энергию. Конденсаторы состоят из двух проводников, разделенных изоляционным материалом или диэлектриком. Когда электрический ток пропускается через пару проводов, в диэлектрике возникает статическое электрическое поле, которое представляет собой накопленную энергию. В отличие от батарей, эта накопленная энергия не сохраняется бесконечно, так как диэлектрик допускает определенную утечку тока, что приводит к постепенному рассеиванию накопленной энергии.

Конденсатор.

Характеристика накопления энергии конденсаторов называется емкостью и выражается в единицах фарад.Обычно это известное фиксированное значение для каждого отдельного конденсатора, что обеспечивает значительную гибкость в широком диапазоне применений, таких как ограничение постоянного тока при пропускании переменного тока, сглаживание выходного сигнала в источниках питания постоянного тока и при построении используемых резонансных схем. в настройке радио. Эти характеристики также позволяют использовать конденсаторы в группе или конденсаторной батарее для поглощения и устранения неисправностей источника питания переменного тока.

Использование конденсаторной батареи для исправления аномалий источника питания переменного тока обычно используется в тяжелых промышленных условиях, где рабочие нагрузки состоят из электродвигателей и трансформаторов.Этот тип рабочей нагрузки проблематичен с точки зрения источника питания, поскольку электродвигатели и трансформаторы представляют собой индуктивные нагрузки, которые вызывают явление, известное как фазовый сдвиг или отставание коэффициента мощности в источнике питания. Присутствие этого нежелательного явления может привести к серьезным потерям с точки зрения общей эффективности системы с соответствующим увеличением стоимости подачи энергии.

Использование конденсаторной батареи в системе питания эффективно устраняет или противодействует этим проблемам фазового сдвига, делая источник питания намного более эффективным и экономичным.Установка конденсаторной батареи также является одним из самых дешевых методов устранения проблем с запаздыванием мощности, а обслуживание конденсаторной батареи с коэффициентом мощности является простым и экономичным. При работе с любым конденсатором или конденсаторной батареей всегда следует помнить о том, что накопленная энергия при неправильном разряде может вызвать серьезные ожоги или поражение электрическим током. Неправильное обращение с конденсаторами или их утилизация также может привести к взрывам, поэтому всегда следует проявлять осторожность при работе с конденсаторами любого типа.

Катушка индуктивности создает магнитное поле, когда к ней прикладывается ток.

Какова роль конденсатора в цепях переменного и постоянного тока? Электрические технологии

Какова роль конденсатора в цепях переменного и постоянного тока?

Роль конденсатора в цепях переменного тока:

В цепи переменного тока конденсатор меняет местами свои заряды по мере того, как ток меняется, и создает запаздывающее напряжение (другими словами, конденсатор обеспечивает опережающий ток в цепях и сетях переменного тока)

Роль конденсатора в цепях постоянного тока:

В цепи постоянного тока конденсатор, заряженный приложенным напряжением, действует как разомкнутый переключатель.

Роль конденсатора в системах переменного и постоянного тока

Давайте объясним подробно, но сначала мы вернемся к основам конденсатора, чтобы обсудить этот вопрос.

Что такое конденсатор?

Конденсатор представляет собой электрическое устройство с двумя выводами, используемое для хранения электрической энергии в виде электрического поля между двумя пластинами. Он также известен как конденсатор, и единица измерения его емкости в системе СИ — Фарад «Ф», где Фарад — это большая единица емкости, поэтому в настоящее время используются микрофарады (мкФ) или нанофарады (нФ).

Конденсатор похож на батарею, поскольку оба накапливают электрическую энергию. Конденсатор — гораздо более простое устройство, которое не может производить новые электроны, но накапливает их. Внутри конденсатора клеммы соединены с двумя металлическими пластинами, разделенными диэлектрическим материалом (например, вощеной бумагой, слюдой и керамикой), которые разделяют пластины и позволяют им удерживать противоположные электрические заряды, поддерживая электрическое поле.

Конденсаторы могут быть полезны для хранения заряда и быстрой разрядки в нагрузку.Проще говоря, конденсатор также работает как небольшая перезаряжаемая батарея. Символ электрического эквивалента различных типов конденсатора приведен ниже:

Теперь мы знаем концепцию заряда конденсатора и его структуру, но знаете ли вы, что такое емкость? емкость — это способность конденсатора накапливать в нем заряд. Есть несколько факторов, которые влияют на емкость.

  • Площадь пластины
  • Зазор между пластинами
  • Проницаемость изоляционного материала

Соответствующий пост: Конденсатор и типы конденсаторов | Фиксированный, переменный, полярный и неполярный

Конденсатор имеет широкий спектр применений в электронике , таких как накопление энергии, регулирование мощности, коррекция коэффициента мощности, генераторы и фильтрация.

В этом уроке мы объясним вам, как можно использовать конденсатор в электронной схеме. Существует три способа подключения конденсатора в электронную схему:

  • Последовательный конденсатор
  • Параллельный конденсатор
  • Конденсатор в цепях переменного тока
  • Конденсатор в цепях постоянного тока

Связанный пост: Конденсаторы MCQ с пояснительными ответами 11

Как работает конденсатор?
Работа и конструкция конденсатора

Всякий раз, когда на его выводы подается напряжение (также известный как зарядка конденсатора), начинает течь ток и продолжает течь до тех пор, пока напряжение на отрицательном и положительном полюсах (анод и Катод) пластины становятся равными напряжению источника (Applied Voltage).Эти две пластины разделены диэлектрическим материалом (например, слюдой, бумагой, стеклом и т. Д., Которые являются изоляторами), который используется для увеличения емкости конденсатора.

Когда мы подключаем заряженный конденсатор к небольшой нагрузке, он начинает подавать напряжение (накопленную энергию) на эту нагрузку, пока конденсатор полностью не разрядится.

Конденсаторы бывают разных форм, их значение измеряется в фарадах (Ф). Конденсаторы используются как в системах переменного, так и постоянного тока (мы обсудим это ниже).

Емкость (C):

Емкость — это количество электрического заряда, перемещаемого в конденсаторе (конденсаторе), когда к его клемме подключен источник питания на один вольт.

Математически,

Уравнение емкости:

C = Q / V

Где,

  • C = Емкость в фарадах (F)
  • Q = электрический заряд 907 Ом в Кл V = напряжение в вольтах

Мы не будем вдаваться в подробности, потому что наша основная цель этого обсуждения — объяснить роль и применение / использование конденсаторов в системах переменного и постоянного тока.Чтобы понять эту базовую концепцию, мы должны понимать основные типы конденсаторов, относящиеся к нашей теме (поскольку существует много типов конденсаторов, и мы обсудим типы конденсаторов позже в другом посте, потому что это не связано с вопросом).

Связанные сообщения:

Серийные конденсаторы

Как последовательно соединить конденсаторы?

Последовательно ни один конденсатор не подключен напрямую к источнику. Чтобы соединить их последовательно, вам необходимо соединить их встык, как показано на изображении ниже,

При последовательном соединении конденсаторов общая емкость уменьшается.Следовательно, соединение выполняется последовательно, поэтому ток через конденсаторы будет одинаковым. Кроме того, заряд, накопленный пластиной конденсатора, будет таким же, потому что он исходит от пластины соседнего конденсатора.

Следовательно,

I T = I 1 + I 2 + I 3 +… + I n

и

Q T = Q + Q 2 + Q 3 +… + Q n

Теперь, чтобы найти значение емкости вышеупомянутой цепи, мы применим Закон Кирхгофа по напряжению (KVL), тогда у нас будет

V T = V C1 + V C2 + V C3

Как мы знаем, Q = CV

И V = Q / C

Итак,

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

Следовательно,

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

Для n th no.конденсаторов, соединенных последовательно,

Для двух последовательно соединенных конденсаторов формула будет иметь вид

C T = (C1 x C2) / (C1 + C2)

Конденсаторы: все, что вам нужно знать | EAGLE

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

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

Это как бутерброд с мороженым

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

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

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

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

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

Конденсаторы всех форм и размеров

Конденсаторы

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

Конденсаторы керамические

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

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

Конденсаторы электролитические

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

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

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

Суперконденсаторы

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

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

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

Обозначения конденсаторов

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

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

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

Кто изобрел эти вещи?

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

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

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

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

Знаменитый Benjamin Franklin позже продолжил усовершенствование конструкции лейденской банки, созданной Musschenbroek. Франклин также смог обнаружить, что использование плоского куска стекла было отличной альтернативой целой банке. Так родился первый плоский конденсатор, получивший название площади Франклина.

Колпачки в действии — как они работают

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

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

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

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

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

Измерение заряда

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

Имя Аббревиатура Фарад
Пикофарад пФ 0,000000000001 Ф
нанофарад нФ 0,000000001 Ф
Микрофарад мкФ 0,000001 Ф
Милифарад мФ 0.001 F
Килофарад кФ 1000 Ф

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

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

Емкость в параллельных и последовательных цепях

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

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

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

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

Начало работы

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

Конденсатор развязки

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

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

Конденсатор развязки для контроля колебаний напряжения.

Накопитель энергии

Конденсаторы

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

Емкостные сенсорные датчики

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

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

Практика — выбор конденсатора

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

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

Все заряжены

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

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

Что такое суперконденсаторы? Обзор суперконденсаторов или ультраконденсаторов

Конденсатор представляет собой пассивный компонент с двумя выводами, который широко используется в электронике.Почти во всех схемах, которые мы находим в электронике, используются один или несколько конденсаторов для различных целей. Конденсаторы являются наиболее часто используемым электронным компонентом после резисторов. У них есть особая способность накапливать энергию . На рынке доступны различные типы конденсаторов, но тот, который в последнее время набирает популярность и обещает замену или альтернативу батареям в будущем, — это суперконденсаторы или также известные как суперконденсаторы . Суперконденсатор — это не что иное, как конденсатор большой емкости, значения емкости которого намного выше, чем у обычных конденсаторов, но более низкие пределы напряжения.Они могут хранить в 10-100 раз больше энергии на единицу объема или массы, чем электролитические конденсаторы, могут принимать и доставлять заряд намного быстрее, чем батареи, и выдерживают большее количество циклов зарядки-разрядки, чем аккумуляторные батареи.

Суперконденсаторы или ультраконденсаторы — это новая технология хранения энергии, которая активно развивается в наше время. Суперконденсаторы обеспечивают значительные промышленные и экономические преимущества

Емкость конденсатора измеряется в Фарадах (Ф), например.1 мкФ (микрофарад), 1 мФ (миллифарад). Однако, в то время как конденсаторы более низкой стоимости довольно распространены в электронике, также доступны конденсаторы очень высокой стоимости, которые накапливают энергию с гораздо более высокой плотностью и доступны с очень высоким значением емкости, вероятно, в диапазоне Фарадов.

На приведенном выше изображении показано изображение локально доступного суперконденсатора 2,7 В, 1 Фарад. Номинальное напряжение намного ниже, но емкость вышеуказанного конденсатора довольно высока.

Преимущества суперконденсатора или сверхконденсатора

Спрос на суперконденсаторов растет день ото дня.Основная причина быстрого развития и спроса связана с множеством других преимуществ суперконденсаторов, некоторые из них указаны ниже:

  • Он обеспечивает очень хороший срок службы — около 1 миллиона циклов зарядки.
  • Рабочая температура составляет от -50 до 70 градусов, что делает его пригодным для использования в бытовых приложениях.
  • Высокая удельная мощность до 50 раз, что достигается за счет батарей.
  • Вредные материалы, токсичные металлы не являются частью производственного процесса суперконденсаторов или ультраконденсаторов, что делает их сертифицированным одноразовым компонентом.
  • Он эффективнее аккумуляторов.
  • Не требует обслуживания по сравнению с батареями.

Суперконденсаторы хранят энергию в своем электрическом поле, но в случае батарей они используют химические соединения для хранения энергии. Кроме того, благодаря своей способности к быстрой зарядке и разрядке суперконденсаторы постепенно входят на рынок аккумуляторов. Низкое внутреннее сопротивление при очень высоком КПД, отсутствие затрат на техническое обслуживание, более длительный срок службы — основная причина его высокого спроса на современном рынке источников питания.

Энергия в конденсаторе

Конденсатор хранит энергию в виде Q = C x V . Q означает заряд в кулонах, C — емкость в фарадах, а V — напряжение в вольтах. Таким образом, если мы увеличим емкость, запасенная энергия Q также увеличится.

Единица измерения емкости — Фарад (Ф), названная в честь М. Фарадея. Фарад — единица измерения емкости кулон / вольт. Если мы скажем конденсатор на 1 Фарад, то он создаст разность потенциалов в 1 вольт между своими пластинами в зависимости от заряда в 1 кулон.

1 Фарад — конденсатор очень большой емкости для использования в качестве обычного электронного компонента. В электронике, как правило, используется емкость от микрофарад до пикофарад. Микрофарад обозначается как мкФ (1/1000000 Фарад или 10 -6 F), нанофарад как нФ (1/1000000000 или 10 -9 F) и Пикофарад как пФ (1/1000000000000 или 10 -12 F). )

Если значение становится намного выше, например, от мФ до нескольких фарад (обычно <10Ф), это означает, что конденсатор может удерживать гораздо больше энергии между своими пластинами, этот конденсатор называется конденсатором Ultra или суперконденсатором .

Энергия, накопленная в конденсаторе, равна E = ½ CV 2 Дж. E — запасенная энергия в джоулях, C — емкость в Фарадах, а V — разность потенциалов между пластинами.

Строительство Суперконденсатора

Суперконденсатор — это электрохимическое устройство. Интересно, что нет никаких химических реакций, отвечающих за сохранение его электрической энергии. Они имеют уникальную конструкцию с большой проводящей пластиной или электродом, которые расположены близко друг к другу с очень небольшой площадью поверхности.Его конструкция такая же, как у электролитического конденсатора с жидким или влажным электролитом между электродами. Здесь вы можете узнать о различных типах конденсаторов.

Суперконденсатор действует как электростатическое устройство, накапливая свою электрическую энергию в виде электрического поля между проводящими электродами.

Электроды красный и синий с двусторонним покрытием . Как правило, они изготавливаются из графитового углерода в форме углеродных нанотрубок или гелей или из особого типа проводящих активированных углей.

Для блокирования большого потока электронов между электродами и прохождения положительного иона используется пористая бумажная мембрана. Бумажная мембрана также разделяет электроды. Как мы видим на изображении выше, пористая бумажная мембрана расположена посередине и имеет зеленый цвет. Электроды и бумажный разделитель пропитаны жидким электролитом. Алюминиевая фольга используется как токоприемник, обеспечивающий электрическое соединение.

Разделительная пластина и площадь пластин отвечают за значение емкости конденсатора.Отношение можно обозначить как

Где — диэлектрическая проницаемость материала между пластинами

А площадь пластины

D — расстояние между пластинами

Значит, в случае суперконденсатора площадь контакта нужно увеличить, но есть ограничение. Мы не можем увеличить физическую форму или размер конденсатора. Чтобы преодолеть это ограничение, используются специальные типы электролитов, которые увеличивают проводимость между пластинами, тем самым увеличивая емкость.

Суперконденсаторы, также называемые конденсаторами с двойным слоем . За этим есть причина. Очень маленькое разделение и большая площадь поверхности с использованием специального электролита, поверхностный слой электролитических ионов образует двойной слой. Он создает конструкцию из двух конденсаторов, по одному на каждом угольном электроде и называемого конденсатором с двойным слоем.

У этих конструкций есть недостаток. Напряжение на конденсаторе стало очень низким из-за напряжения разложения электролита.Напряжение сильно зависит от материала электролита, материал может ограничивать способность конденсатора накапливать электрическую энергию. Таким образом, из-за низкого напряжения на клеммах суперконденсатор можно подключить последовательно для хранения электрического заряда на полезном уровне напряжения. Из-за этого суперконденсатор, включенный последовательно, вырабатывает более высокое напряжение, чем обычно, а параллельно, емкость становится больше. Это можно четко понять с помощью описанной ниже техники построения массива суперконденсаторов.

Конструкция решетки суперконденсаторов

Для сохранения заряда при требуемом полезном напряжении суперконденсаторы должны быть подключены последовательно.А для увеличения емкости их следует подключать параллельно.

Давайте посмотрим на конструкцию массива Суперконденсатора.

На приведенном выше изображении напряжение отдельной ячейки или конденсатора обозначено как Cv, в то время как емкость одиночной ячейки обозначена как Cc. Диапазон напряжения суперконденсатора составляет от 1 В до 3 В, последовательное соединение увеличивает напряжение, а большее количество конденсаторов, включенных параллельно, увеличивает емкость .

Если мы создадим массив, последовательное напряжение будет

  Общее напряжение = Напряжение элемента (Cv) x Количество рядов  

А емкость параллельно будет

  Общая емкость = Емкость ячейки (куб. См) x (Количество столбцов / количество строк)  

Пример

Нам нужно создать устройство хранения резервных копий, и для этого требуется супер- или суперконденсатор 2,5F с номиналом 6V.

Если нам нужно создать массив, используя конденсаторы 1F с номиналом 3V, то каковы будут размер массива и количество конденсаторов?

  Общее напряжение = Напряжение элемента x Номер строки 
  Тогда номер строки = 6/3 
  Номер строки = 2  

Означает, что два последовательно соединенных конденсатора будут иметь разность потенциалов 6 В.

Теперь емкость,

  Общая емкость = емкость элемента x (номер столбца / номер строки) 
  Тогда номер столбца = (2.5 х 2) / 1  

Итак, нам нужно 2 строки и 5 столбцов.

Построим массив,

Общее количество энергии, хранящейся в массиве, составляет

Суперконденсаторы

хороши для хранения энергии и там, где необходима быстрая зарядка или разрядка.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *