Содержание
§52. Конденсаторы, их назначение и устройство
Заряд и разряд конденсатора.
Конденсатор представляет собой устройство, способное накапливать электрические заряды. Простейшим конденсатором являются две металлические пластины (электроды), разделенные каким-либо диэлектриком. Конденсатор 2 можно зарядить, если соединить его электроды с источником 1 электрической энергии постоянного тока (рис. 181, а).
Рис. 181. Заряд и разряд конденсатора
При заряде конденсатора свободные электроны, имеющиеся на одном из его электродов, устремляются к положительному полюсу источника, вследствие чего этот электрод становится положительно заряженным. Электроны с отрицательного полюса источника устремляются ко второму электроду и создают на нем избыток электронов, поэтому он становится отрицательно заряженным.
В результате протекания зарядного тока i3 на обоих электродах конденсатора образуются равные, но противоположные по знаку заряды и между ними возникает электрическое поле, создающее между электродами конденсатора определенную разность потенциалов.
Когда эта разность потенциалов станет равной напряжению источника тока, движение электронов в цепи конденсатора, т. е. прохождение по ней тока i3 прекращается. Этот момент соответствует окончанию процесса заряда конденсатора.
При отключении от источника (рис. 181,б) конденсатор способен длительное время сохранять накопленные электрические заряды. Заряженный конденсатор является источником электрической энергии, имеющим некоторую э. д. с. ес. Если соединить электроды заряженного конденсатора каким-либо проводником (рис. 181, в), то конденсатор начнет разряжаться.
При этом по цепи пойдет ток iр разряда конденсатора. Начнет уменьшаться и разность потенциалов между электродами, т. е. конденсатор будет отдавать накопленную электрическую энергию во внешнюю цепь.
В тот момент, когда количество свободных электронов на каждом электроде конденсатора станет одинаковым, электрическое поле между электродами исчезнет и ток станет равным нулю. Это означает, что произошел полный разряд конденсатора, т. е. он отдал накопленную им электрическую энергию.
Емкость конденсатора.
Свойство конденсатора накапливать и удерживать электрические заряды характеризуется его емкостью. Чем больше емкость конденсатора, тем больше накопленный им заряд, так же как с увеличением вместимости сосуда или газового баллона увеличивается объем жидкости или газа в нем.
Емкость С конденсатора определяется как отношение заряда q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов между его электродами (приложенному напряжению)U:
C = q / U (69)
Емкость конденсатора измеряется в фарадах (Ф). Емкостью в 1 Ф обладает конденсатор, у которого при сообщении заряда в 1 Кл разность потенциалов возрастает на 1 В. В практике преимущественно пользуются более мелкими единицами: микрофарадой (1 мкФ=10-6 Ф), пикофарадой (1 пФ = 10-12 мкФ).
Емкость конденсатора зависит от формы и размеров его электродов, их взаимного расположения и свойств диэлектрика, разделяющего электроды. Различают плоские конденсаторы, электродами которых служат плоские параллельные пластины (рис. 182, а), и цилиндрические (рис. 182,б).
Рис. 182. Плоский (а) и цилиндрический (б) конденсаторы
Свойствами конденсатора обладают не только специально изготовленные на заводе устройства, но и любые два проводника, разделенные диэлектриком. Емкость их оказывает существенное влияние на работу электротехнических установок при переменном токе.
Например, конденсаторами с определенной емкостью являются два электрических провода, провод и земля (рис. 183, а), жилы электрического кабеля, жилы и металлическая оболочка кабеля (рис. 183,6).
Рис. 183. Емкости, образованные проводами воздушной линии (а) и жилами кабеля (б)
Устройство конденсаторов и их применение в технике.
В зависимости от применяемого диэлектрика конденсаторы бывают бумажными, слюдяными, воздушными (рис. 184).
Рис. 184. Общие виды применяемых конденсаторов: 1 — слюдяные; 2 — бумажные; 3 — электролитический; 4 — керамический
Используя в качестве диэлектрика вместо воздуха слюду, бумагу, керамику и другие материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, удается при тех же размерах конденсатора увеличить в несколько раз его емкость. Для того чтобы увеличить площади электродов конденсатора, его делают обычно многослойным.
В электротехнических установках переменного тока обычно применяют силовые конденсаторы. В них электродами служат длинные полосы из алюминиевой, свинцовой или медной фольги, разделенные несколькими слоями специальной (конденсаторной) бумаги, пропитанной нефтяными маслами или синтетическими пропитывающими жидкостями.
Ленты фольги 2 и бумаги 1 сматывают в рулоны (рис. 185), сушат, пропитывают парафином и помещают в виде одной или нескольких секций в металлический или картонный корпус. Необходимое рабочее напряжение конденсатора обеспечивается последовательным, параллельным или последовательно-параллельным соединениями отдельных секций.
Рис. 185. Устройство бумажного (а) и электролитического (б) конденсаторов
Всякий конденсатор характеризуется не только значением емкости, но и значением напряжения, которое выдерживает его диэлектрик. При слишком больших напряжениях электроны диэлектрика отрываются от атомов, диэлектрик начинает проводить ток и металлические электроды конденсатора замыкаются накоротко (конденсатор пробивается).
Напряжение, при котором это происходит, называют пробивным. Напряжение, при котором конденсатор может надежно работать неограниченно долгое время, называют рабочим. Оно в несколько раз меньше пробивного.
Конденсаторы широко применяют в системах энергоснабжения промышленных предприятий и электрифицированных железных дорог для улучшения использования электрической энергии при переменном токе.
На э. п. с. и тепловозах конденсаторы используют для сглаживания пульсирующего тока, получаемого от выпрямителей и импульсных прерывателей, борьбы с искрением контактов электрических аппаратов и с радиопомехами, в системах управления полупроводниковыми преобразователями, а также для создания симметричного трехфазного напряжения, требуемого для питания электродвигателей вспомогательных машин.
В радиотехнике конденсаторы служат для создания высокочастотных электромагнитных колебаний, разделения электрических цепей постоянного и переменного тока и др.
В цепях постоянного тока часто устанавливают электролитические конденсаторы. Их изготовляют из двух скатанных в рулон тонких алюминиевых лент 3 и 5 (рис. 185,б), между которыми проложена бумага 4, пропитанная специальным электролитом (раствор борной кислоты с аммиаком в глицерине).
Алюминиевую ленту 3 покрывают тонкой пленкой окиси алюминия; эта пленка образует диэлектрик, обладающий высокой диэлектрической проницаемостью. Электродами конденсатора служат лента 3, покрытая окисной пленкой, и электролит; вторая лента 5 предназначена лишь для создания электрического контакта с электролитом. Конденсатор помещают в цилиндрический алюминиевый корпус.
При включении электролитического конденсатора в цепь постоянного тока необходимо строго соблюдать полярность его полюсов; электрод, покрытый окисной пленкой, должен быть соединен с положительным полюсом источника тока. При неправильном включении диэлектрик пробивается.
По этой причине электролитические конденсаторы нельзя включать в цепи переменного тока. Их нельзя также использовать в устройствах, работающих при высоких напряжениях, так как окисная пленка имеет сравнительно небольшую электрическую прочность.
В радиотехнических устройствах применяют также конденсаторы переменной емкости (рис. 186).
Рис. 186. Устройство конденсатора переменной емкости
Такой конденсатор состоит из двух групп пластин: неподвижных 2 и подвижных 3, разделенных воздушными промежутками. Подвижные пластины могут перемещаться относительно неподвижных; при повороте оси 1 конденсатора изменяется площадь взаимного перекрытия пластин, а следовательно, и емкость конденсатора.
Способы соединения конденсаторов.
Конденсаторы можно соединять последовательно и параллельно. При последовательном соединении нескольких (например, трех), конденсаторов (рис. 187, а) эквивалентная емкость
1 /Cэк = 1 /C1 + 1 /C2 + 1 /C3
эквивалентное емкостное сопротивление
XCэк= XC1 + XC2 + XC3
результирующее емкостное сопротивление
Cэк = C1 + C2 + C3
При параллельном соединении конденсаторов (рис. 187,б) их результирующая емкость
1 /XCэк = 1 /XC1 + 1 /XC2 + 1 /XC3
Рис. 187. Последовательное (а) и параллельное (б) соединения конденсаторов
Включение и отключение цепей постоянного тока с конденсатором.
При подключении цепи R-C к источнику постоянного тока и при разряде конденсатора на резистор также возникает переходный процесс с апериодическим изменением тока i и напряжения uc.
При подключении к источнику постоянного тока цепи R-C выключателем В1 (рис. 188,а) происходит заряд конденсатора. В начальный момент зарядный ток Iнач=U /R. Но по мере накопления зарядов на электродах конденсатора напряжение его и с будет возрастать, а ток уменьшаться (рис. 188,б).
Рис. 188. Схема подключения цепи R-C к источнику постоянного тока (а) и кпивые тока и напряжения при переходном процессе (б) кривые
Если сопротивление R мало, то в начальный момент подключения конденсатора возникает большой екачок тока, значительно превышающий номинальный ток данной цепи. При разряде конденсатора на резистор R (размыкается выключатель В1 на рис. 189, а) напряжение на конденсаторе uс и ток i постепенно уменьшаются до нуля (рис. 189,б).
Рис. 189. Схема разряда емкости С на резистор R (а) и кривые тока и напряжения при переходном процессе (б)
Скорость изменения тока i и напряжения ис при переходном процессе отделяется постоянной времени
T = RC
Чем больше R и С, тем медленнее происходит заряд конденсатора.
Процессы заряда и разряда конденсатора широко используют в электронике и автоматике. С помощью их получают периодаческие несинусоидальные колебания, называемые релаксационными, и, в частности, пилообразное напряжение, необходимое для работы систем управления тиристорами, осциллографов и других устройств.
Для получения пилообразного напряжения (рис. 190) периодически подключают конденсатор к источнику питания, а затем к разрядному резистору.
Рис. 190. Кривая пилообразного напряжения
Периоды Т1 и T2, соответствующие заряду и разряду конденсатора, определяются постоянными времени цепей заряда Т3 и разряда Тр, т. е. сопротивлениями резисторов, включенных в эти цепи.
Назначение классификация и параметры конденсаторов
Назначение
Конденсатор один из самых распространённых радиоэлементов. Роль конденсатора в электронной схеме заключается в накоплении электрического заряда, разделения постоянной и переменной составляющей тока, фильтрации пульсирующего тока и другое.
Конструктивно конденсатор состоит из двух проводящих обкладок (двух металлических пластин), изолированных одна от другой диэлектриком. В зависимости от конструкции и назначения конденсатора диэлектриком может служить воздух, бумага, керамика, слюда.
Классификация
Кроме обычных существуют ещё и электролитические конденсаторы. Емкость их намного больше, чем у обычных, следовательно, габариты также существенно больше. Отличительная особенность электролитических конденсаторов – полярность. Если обычные конденсаторы можно впаивать в схему не беспокоясь о полярности прикладываемого к конденсатору напряжения, то электролитический конденсатор необходимо включать в схему строго в соответствии с полярностью напряжения. У электролитических конденсаторов один вывод плюсовой, другой минусовой.
Также широкое применение получили подстроечные конденсаторы. Подстроечные конденсаторы необходимы в тех случаях, когда требуется точная подстройка ёмкости в электронной схеме. В таких конденсаторах подстройку ёмкости производят один раз или очень редко.
Наряду с подстроечными конденсаторами существуют и конденсаторы переменной ёмкости. В отличие от подстроечных, переменные конденсаторы служат для частой подстройки ёмкости. В простом (не цифровом) приёмнике настройка на радиостанцию как раз и осуществляется с помощью конденсатора переменной ёмкости.
Параметры
Номинальная ёмкость. Ёмкость измеряют в Фарадах (Ф). Ёмкость в 1 Фараду очень велика. К примеру, земной шар имеет ёмкость менее 1 Ф, а точнее около 710 мкф. Говоря про электрическую ёмкость земного шара, они имеют ввиду, что в качестве примера взят металлический шар размером с планету Земля и являющийся уединённым проводником. Это всего лишь аналогия. В технике существует электронный компонент, который обладает ёмкостью более 1 Фарады – это ионистор.
В основном, в электронике и радиотехнике используются конденсаторы с ёмкостью равной миллионной доле фарады – микрофарада (1мкФ = 0,000001 Ф). Также находят применение конденсаторы с ёмкостями исчисляемыми десятками – сотнями нанофарад (1нФ = 0,000000001 Ф) и пикофарад (1пФ = 0,000000000001 Ф). Номинальную ёмкость указывают на корпусе конденсатора.
Чтобы не запутаться в сокращениях (мкФ, нФ, пФ), и научиться переводить микрофарады в пикофарады, а нанофарады в микрофарады необходимо знать о сокращённой записи численных величин.
Номинальное напряжение. Это напряжение, при котором конденсатор выполняет свои функции. При превышении допустимого значения конденсатор будет пробит, то есть, превратится в обычный проводник. Диапазон допустимых значений рабочих напряжений конденсаторов лежит в пределах от нескольких вольт до единиц киловольт (1 киловольт – 1 000 вольт). Номинальное напряжение маркируют на корпусе конденсатора.
Допуск. Также как у резисторов и у конденсаторов есть допустимое отклонение величины его реальной ёмкости от той, что указана на его корпусе. Допуск обозначается в процентах. Допуск у конденсаторов может достигать 20 – 30%. В технике, где требуется особая точность номинальных значений ёмкости, применяются конденсаторы с малым допуском (1% и менее).
Основы работы с конденсаторами [Урок 1] Как работают конденсаторы?
Это техническая статья, целью которой является объяснение основ конденсаторов.
Первый урок даст обзор конденсаторов.
[Урок 1: Обзор конденсаторов]
Об электрических схемах
Начнем с электрических цепей и конденсаторов.
<Контур похож на дорогу; зарядка как машина.>
Если рассматривать автодром как дорогу, то движение заряда похоже на движение автомобилей по дороге.
<Сопротивление похоже на ухабистую дорогу.>
Если дорога ухабистая, скорость автомобилей снижается, но автомобили продолжают двигаться к намеченному пункту назначения. В случае электрической цепи тепло вырабатывается резистором, что приводит к потерям энергии. поскольку это информация базового уровня, я бы удалил эту ссылку на тепло Джоуля, так как она слишком техническая.
<Источники питания (аккумуляторы) — это устройства, обеспечивающие разность потенциалов.>
Источник питания — это устройство, обеспечивающее разность потенциалов E[V] на двух концах, к которым оно подключено. Это то же самое, что автомобиль, который автоматически поднимается лифтом на высоту t[m] без использования собственной силы. (в чем основной смысл t(m)
Так что же такое конденсаторы?
Давайте теперь поговорим о случаях, когда конденсаторы были подключены к блокам питания.
<Конденсатор похож на парковку.>
Конденсатор накапливает заряд. Если использовать ту же аналогию цепи и дороги, то конденсатор будет парковкой. На плюсовой и минусовой сторонах электронной схемы всегда хранится одинаковое количество зарядов.
<Какова способность конденсатора накапливать заряды, т. е. электростатическая емкость?>
Показатель, используемый для выражения степени, в которой конденсатор может накапливать заряд, известен как электростатическая емкость, и ее можно рассчитать с помощью уравнения (1).
Как видно из уравнения (1), электростатическая емкость может быть увеличена за счет <1> увеличения площади поверхности электрода S, <2> сокращения расстояния между электродами и <3> использования материалов с высокой диэлектрической проницаемостью.
В соответствии с Международной системой единиц (СИ) F (фарад) используется как единица измерения электростатической емкости. Емкость, возникающая при сохранении заряда в 1 Кл (кулон) при приложении к проводнику напряжения 1 В (разность потенциалов), определяется как 1 Ф.
<Как работает конденсатор>
Что происходит с зарядом, хранящимся в конденсаторе, так это то, что, когда переключатель S1 установлен в положение OFF, а переключатель S2 установлен в положение ON, на нагрузку будет поступать ток.
Благодаря наличию конденсатора лампочка будет стабильно гореть даже при нестабильном напряжении питания.
<Конденсаторы блокируют прохождение постоянного тока и разрешают прохождение переменного тока.>
Конденсатор не пропускает через себя постоянный ток, но когда зарядка и разрядка повторяются, к конденсатору многократно течет ток зарядки и разрядки. Когда это явление наблюдается снаружи конденсатора, кажется, что ток течет через конденсатор.
—
Благодаря этим характеристикам в цепях используется большое количество конденсаторов. Необходимо выбрать элементы, которые оптимально подходят для предполагаемого применения.
Ответственное лицо: Murata Manufacturing Co., Ltd. Y.I ＆ K.M
Сопутствующие товары
Конденсатор
Связанные статьи
- Сопротивление конденсаторов электростатическому разряду
- Основы полимерных конденсаторов (часть 2): что такое полимерный конденсатор?
- Основные сведения о полимерных конденсаторах (часть 1): что такое полимерные конденсаторы?
Будьте в курсе!
Получайте электронные письма от Murata с последними обновлениями на этом сайте.
Информационный бюллетень Murata (электронный информационный бюллетень) запуск
mail_outline
Наша Компания
Телефон: +1 (520) 573-0221
Электронная почта: ARIZONACAPACITORS@ELECTROTECHNIK. COM
История компании:
Мы начали свою деятельность в долине Сан-Фернандо в 1951 году и получили название West-Cap, имя, которое до сих пор звучит в отрасли. Затем в 1958 году (SFE) компания West-Cap of Arizona перенесла производственные мощности в Тусон, где San Fernando Electric продала активы компании Component Research Company в 1990 году, а они продали их в 1991 году, и была создана компания Arizona Capacitor Company. Arizona Capacitor Co. продана компании Goguen Industries в 19 г.97, которые управляли компанией до тех пор, пока не были проданы в 2003 году и не были образованы Arizona Capacitors, LLC.
В 2010 году компания Electro Technik Industries, Inc. из Клируотера, штат Флорида, приобрела Arizona Capacitors, LLC, и теперь мы работаем как Arizona Capacitors, Inc. : нестандартные магниты, микроволновые печи, резисторы, а теперь и пленочные конденсаторы с обмоткой.
Мы находимся в Тусоне, штат Аризона, менее чем в 20 минутах от международного аэропорта Тусона. Площадь нашей собственности составляет один акр, а наше предприятие занимает более 20 000 квадратных футов производственных и офисных площадей. Мы являемся конкурентоспособным работодателем и создали хорошо обученную, заботящуюся о качестве рабочую силу.
Многие чертежи наших пленочных конденсаторов и электронных фильтров относятся к 1950-м годам. Мы с гордостью обслуживаем военную и частную промышленность качественными компонентами уже более 60 лет. Хотя мы гордимся своим прошлым, мы постоянно работаем над созданием новых продуктов для будущего.
Возможности:
Arizona Capacitors разрабатывает и производит все типы нестандартных пленочных конденсаторов, включая конденсаторы из бумаги, фольги, пластика, металлизированной пленки, полиэстера, поликарбоната, тефлона, полипропилена и полистирола. Мы производим пленочные конденсаторы на заказ в дополнение к линейке стандартных пленочных конденсаторов. Arizona Capacitors также производит обертку и заполнение, эпоксидное покрытие, фенольные, ванны, трубчатые герметичные, прямоугольные герметичные, сварные корпуса, формованные, трубчатые из ПВХ.