Конденсатор в цепи переменного и постоянного тока: что это такое, виды

Что такое конденсатор?

Устройство, хранящее электричество в виде электрических зарядов, называется конденсатором.

Количество электричества или электрического заряда в физике измеряется в подвесках (C). Электрическая емкость измеряется в фарадах (F).

Уединенный проводник с электрической емкостью 1 фарад представляет собой металлический шар с радиусом, равным 13 солнечным лучам. Следовательно, конденсатор включает как минимум 2 проводника, разделенных диэлектриком. В простых конструкциях устройства: бумага.

Работа конденсатора в цепи постоянного тока осуществляется при включении и выключении питания. Только в переходные моменты изменяется потенциал на пластинах.

Конденсатор в цепи переменного тока заряжается с частотой, равной частоте напряжения питания. В результате непрерывных зарядов и разрядов через элемент протекает ток. Чем выше частота, тем быстрее заряжается устройство.

Сопротивление цепи с конденсатором зависит от частоты тока. При нулевой частоте постоянного тока значение сопротивления стремится к бесконечности. По мере увеличения частоты переменного тока сопротивление уменьшается.

Что такое электроемкость проводников

Если у нас есть два изолированных друг от друга проводника, которым мы сообщаем некоторые заряды (обозначим их соответственно q1 и q2), то между ними возникнет некая разность потенциалов. Его величина будет зависеть от формы проводников, а также от начальных значений зарядов. Обозначим эту разницу как. Если мы говорим о разнице, возникающей в электрическом поле между двумя точками, ее обычно обозначают U.

В рамках данной статьи нас больше интересует такая разность потенциалов между проводниками, когда их заряды имеют противоположный знак, но равны по величине друг другу. В этом случае мы можем ввести новое понятие: электрическая мощность (электрическая мощность).

Определение 1

Емкость двухпроводной системы – это соотношение между зарядом проводника (q) и разностью потенциалов между этими двумя проводниками.

В виде формулы это записывается следующим образом: C = q∆φ = qU.

Единица измерения, называемая фарад, используется для измерения электрической емкости. Обозначается буквой F.

1Φ = 1 Cl1 В.

Конфигурации и размеры проводников, а также свойства диэлектрика определяют значение электрической емкости данной системы. Большой интерес для нас представляют проводники особой формы, называемые конденсаторами.

Определение 2

Конденсатор – это проводник, конфигурация которого позволяет локализовать (сконцентрировать) электрическое поле в заданной части пространства. Проводники, из которых состоит конденсатор, называются пластинами.

Определение 3

Если взять две плоские пластины из проводящего материала, расположить их на небольшом расстоянии друг от друга и поместить между ними диэлектрический слой, то получится простейший конденсатор, называемый пластиной. Во время его работы электрическое поле будет располагаться в основном в пространстве между пластинами, но небольшая часть этого поля будет рассеиваться вокруг них.

Определение 4

Часть электрического поля около конденсатора называется паразитным полем.

Иногда в задачах мы можем игнорировать это и работать только с той частью электрического поля, которая находится между пластинами. Однако пренебрегать рассеивающим полем допустимо далеко не всегда, так как это может привести к некорректным расчетам из-за нарушения потенциальной природы электрического поля.

Рисунок 1.6.1. Электрическое поле в плоском конденсаторе.

Рисунок 1.6.2. Электрическое поле конденсатора без учета паразитного поля, которое не имеет потенциала.

Модуль напряженности электрического поля, создаваемого каждым якорем плоского конденсатора, выражается соотношением следующего вида:

E1 = σ2ε0.

Основываясь на принципе суперпозиции, можно утверждать, что сила E → поля, создаваемого обеими пластинами конденсатора, будет равна сумме сил E + → и E- → полей каждой пластины, т.е. E → = E + → + E-→.

Векторы силы обеих пластин внутри конденсатора будут параллельны друг другу. Таким образом, мы можем выразить величину напряженности их суммарного поля в виде формулы E = 2E1 = σε0.

Общая концепция

Конденсатор состоит из двух токопроводящих пластин и диэлектрика между ними. И все, больше ничего. Выглядит как простая радиодеталь, но по-разному работает на высоких и низких частотах.

он обозначен на схеме двумя параллельными линиями.

Принцип работы

Эта радиодеталь хорошо демонстрирует явление электростатической индукции. Возьмем пример.

Если к конденсатору подключить источник постоянного тока, то в начальный момент ток начнет накапливаться на обкладках конденсатора. Это связано с электростатической индукцией. Сопротивление практически равно нулю.

Электрическое поле за счет электростатической индукции притягивает противоположные заряды к двум противоположным пластинам. Это свойство материи называется емкостью. У всех материалов есть возможности. И тоже для диэлектриков, но для проводников намного больше. Следовательно, обкладки конденсатора состоят из одного проводника.

Чем выше емкость, тем больше зарядов может накапливаться на пластинах конденсатора, например, электрический ток.

Основное свойство конденсатора – его емкость. Это зависит от площади пластин, расстояния между ними и материала диэлектрика, которым заполнено пространство между пластинами.

По мере накопления зарядов поле начинает ослабевать, а выносливость увеличивается. Почему это происходит? Пространство на пластинах сжимается, одноименные заряды действуют друг на друга, и напряжение на конденсаторе становится равным источнику тока. Это сопротивление называется реактивным или емкостным. Это зависит от частоты тока, мощности радиодеталей и проводов.

Когда на пластинах нет места для электрического тока, ток в цепи прекращается. Электростатическая индукция исчезает. Теперь остается электрическое поле, которое удерживает заряды на пластинах, но не высвобождает их. А электрическому току некуда деться. Напряжение на конденсаторе станет равным ЭДС (напряжению) источника тока.

А что будет, если увеличить ЭДС (напряжение) источника тока? Электрическое поле начнет все больше и больше давить на диэлектрик, так как на пластинах больше не остается места. Но если напряжение на конденсаторе превысит допустимое значение, диэлектрик сломается. Конденсатор станет проводником, заряды освободятся, и ток потечет по цепи. Как же тогда использовать конденсатор для высоких напряжений? Можно увеличить размер диэлектрика и расстояние между пластинами, но при этом уменьшается емкость детали.

Между пластинами находится диэлектрик, препятствующий прохождению постоянного тока. Это и есть барьер постоянного тока. Потому что постоянный ток также создает постоянное напряжение. Постоянное напряжение может создавать электростатическую индукцию только тогда, когда цепь замкнута, то есть когда конденсатор заряжается.

Таким образом, конденсатор может накапливать энергию до тех пор, пока к нему не подключен потребитель.

Конденсатор и цепь постоянного тока

Добавим в схему лампочку. Он будет светиться только во время зарядки.

Еще одна важная особенность – когда происходит процесс зарядки током, напряжение отстает от тока. Напряжение как бы догоняет ток, поскольку сопротивление плавно нарастает по мере зарядки. Электрическим зарядам требуется время, чтобы пройти через пластины конденсатора. Это название времени перезарядки. Это зависит от емкости, частоты и напряжения.

По мере зарядки свет начинает тускнеть.

Свет выключается при полной зарядке.

Постоянный электрический ток не проходит через конденсатор, пока он не будет заряжен.

Цепь с переменным током

Что произойдет, если поменять полярность источника тока? Затем конденсатор начнет разряжаться и перезаряжаться при изменении полярности источника.

Электростатическая индукция возникает постоянно, если электрический ток переменный. Как только ток начинает менять направление, начинается процесс зарядки и разрядки.

Следовательно, конденсатор пропускает переменный электрический ток.

Чем выше частота, тем меньше реактивное (емкостное) сопротивление конденсатора.

Поляризация диэлектрика

Это явление называется накоплением электрических зарядов. Конденсатор называется аккумулятором электрического поля, так как вокруг каждого заряда действует электрическое поле, под действием которого диэлектрик поляризуется, то есть его молекулы становятся полярными – у них четко выражены положительный и отрицательный полюса. Полюса молекул непроводящего вещества ориентированы по линиям электрического поля, создаваемого зарядами, расположенными на пластинах. Также отрицательный полюс молекулы направлен к положительной пластине, а положительный полюс направлен к отрицательной.

Способность накапливать электрические заряды характеризуется емкостью конденсатора, отсюда его обозначение на чертежах электрических цепей С (конденсатор). Подобно вместимости корабля: чем больше вместимость корабля, тем больше в него наливается жидкости.

Емкость конденсатора относится к основному параметру и измеряется в фарадах Ф, названной в честь выдающегося английского физика Майкла Фарадея.

Следует отметить, что правильно говорить не «фарад», а «фарад».

Конденсатор имеет емкость в один фарад, который накапливает заряд в один кулон, если он прикладывает к якорям напряжение в один вольт.

Раньше часто можно было слышать такое утверждение, что емкость в 1 Ф – это много, почти вместимость нашей планеты. Однако сейчас, с появлением суперконденсаторов, об этом уже не говорят, так как емкость последних достигает сотен фарад. Однако в большинстве электронных схем используются запоминающие устройства с меньшим C: пикофарады, нанофарады и микрофарады.

Расчет емкости конденсатора

Расчет емкости конденсаторов довольно прост. Он определяется тремя параметрами: площадью пластины S, расстоянием между пластинами d и типом диэлектрика ε:

Физический смысл этой формулы таков: чем больше площадь пластин, тем больше зарядов можно разместить на них (накопить); чем больше расстояние между пластинами и, соответственно, между зарядами, тем меньше сила их взаимного притяжения – тем слабее они удерживаются на пластинах, поэтому зарядам легче выходить из пластин, что приводит к уменьшению в их количестве и, как следствие, к уменьшению накопительной способности электрического поля.

Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз заряд конденсатора с данным диэлектриком превышает заряд такого накопителя, если между его пластинами такой же площади и расположенными на одинаковом расстоянии существует вакуум. Для воздуха он равен единице, то есть практически ничем не отличается от вакуума. У сухой бумаги диэлектрическая проницаемость вдвое больше, чем у воздуха; фарфор – четыре с половиной раза ε = 4,5. Конденсатор керамический имеет ε = 10..200 ед.

Следует важный вывод: для получения максимальной емкости при сохранении тех же геометрических размеров необходимо использовать диэлектрик с максимальной диэлектрической проницаемостью. Поэтому керамика используется в популярных плоских конденсаторах.

Подстроечные конденсаторы

Подстроечные конденсаторы используются в узлах окончательной настройки электронного оборудования. Чаще всего они встречаются в различных типах колебательных цепей или в устройствах, связанных с формированием частоты; в средствах измерения. Вы также можете найти их в пробниках цифровых осциллографов. Там они используются для устранения собственной емкости измерительных щупов, что позволяет максимально устранить погрешности при выполнении измерений высокочастотных сигналов.

Электролитические конденсаторы

Основное отличие и преимущество электролитических конденсаторов – их большая емкость и малые габариты. Благодаря этому свойству они широко используются в качестве электрических фильтров для сглаживания выпрямленного напряжения, что делает их неотъемлемой частью любого источника питания.

Конструктивно электролитический конденсатор из алюминиевой фольги, выполняющий роль одной из пластин. Лист свернут в рулон в виде цилиндра, что позволяет увеличить активную площадь покрытия. На фольгу нанесен оксидный слой, который является диэлектриком. Вторая пластина представляет собой электролитический или полупроводниковый слой. По этой причине электролитические конденсаторы полярные (гораздо реже используются и неполярные), то есть при подключении к цепи необходимо соблюдать полярность. Иначе выйдет из строя, чаще всего взорвется. Поэтому при подключении такого радиоэлектронного элемента к электрической цепи необходимо соблюдать особую осторожность, о чем часто забывают при замене этого компонента.

Отрицательный вывод нового электролитического конденсатора короче положительного, и соответствующий знак минус нанесен на корпус рядом с ним. В советской маркировке наоборот обозначена плюсовая клемма, со стороны которой на корпусе нанесен знак «+».

Кроме того, в случае электролитических конденсаторов обязательными являются значения трех основных параметров: номинальное значение емкости, максимально допустимое напряжение и максимальная рабочая температура.

Если с допустимой емкостью и температурой все понятно, особое внимание следует уделить напряжению.

Электролитический конденсатор нельзя запитать напряжением выше указанного на корпусе. В противном случае он взорвется. Большинство разработчиков электронной техники рекомендуют не превышать напряжение на пластинах более 80% от допустимого значения.

Обозначение конденсаторов в схемах

На чертежах электрических схем обозначение конденсаторов строго стандартизировано. Однако этот электронный элемент всегда можно узнать в схеме по двум смежным параллельным вертикальным линиям. Две вертикальные линии представляют две тарелки. Эти черточки подписаны латинской буквой C, рядом с которой указывается порядковый номер элемента в цепи, а внизу или сбоку – значение емкости в микрофарадах или пикофарадах.

Маркировка конденсаторов

С развитием электроники развивается и основа элемента. Поскольку многие страны производят собственные радиоэлектронные элементы, их маркировка отличается от маркировки радиоэлектронных элементов в других странах. Поэтому на ранних этапах промышленного производства электроники использовалось много разных типов маркировки, но стремление к унификации более или менее привело к ее заказу. Это позволило привести маркировку конденсаторов к общим правилам. И преимущество здесь очевидно: радиоэлектронный элемент, произведенный в одной стране, теперь можно просто комбинировать с аналогом производства другой страны. Идеальным было бы свести все виды обозначений и маркировок к одному типу, что уже почти полностью сделано.

Однако советские конденсаторы до сих пор имеют широкое распространение, которое отличается небольшой, но разнообразной приметой. В советской маркировке было задействовано все: цифры, буквы, цвета. Кроме того, на телах элементов нанесены как цифры с буквами и цветами, так и цифры и буквы. Цифры обозначают значение, буквы обозначают единицы измерения.

Самый распространенный тип маркировки состоит из чисел, указывающих емкость в пикофарадах, не путать с фарадами! Всегда следует помнить, что, в отличие от резисторов, которые маркируются в Омах, размер базы, независимо от способа маркировки, составляет пикофарады (если числа разделены запятой, то микрофарады). Обычно подсчет емкости начинается с пикофарада.

Также ранее использовалась только цветовая кодировка – сплошной цвет с цветной точкой. Параметры можно определить только по справочнику.

Рассмотренные выше виды маркировки постепенно выходят из употребления, но о них всегда вспоминают специалисты, выполняющие ремонт советской техники, в которой радиоэлементы имеют «старое» обозначение.

Самый эффективный и совершенный способ обозначения электронных элементов – цифровое кодирование. Цифровое кодирование конденсаторов, как и резисторов, предполагает использование всего трех цифр. Такой подход допускает множество комбинаций. Две цифры слева указывают на мантису, то есть значащее число, а последняя – третья цифра показывает, сколько нулей нужно добавить к двум предыдущим цифрам. Например, если на корпусе блока указано 153, его емкость составляет 15 × 103 = 15000 пФ = 15 нФ = 0,015 мкФ.

Помимо мощности, агрегаты характеризуются еще рядом основных параметров, которые обсуждаются ниже.

Маркировка SMD конденсаторов

Маркировка конденсаторов SMD может быть нанесена на корпус в виде цифрового кодирования, но в подавляющем большинстве это несколько сбивающая с толку цифра, состоящая из одной или двух букв латинского алфавита. Если есть две буквы, первая указывает на производителя, который нас интересует в меньшей степени. Но вторая или единственная буква обозначает мантису, точно так же, как цифровое кодирование. Оставшаяся цифра показывает количество нулей после мантисы. Расшифровать числовое значение буквы можно, воспользовавшись приведенной ниже таблицей.

SMD-блоки с похожими характеристиками также различаются по размеру. Некоторые стандартные форматы показаны в следующей таблице и на рисунке. При проектировании печатных плат особенно важно учитывать размеры электронных компонентов.

Маркировка электролитических SMD конденсаторов практически не отличается от выходных аналогов. Отрицательная площадка обозначается черной меткой на плоской стороне корпуса со стороны соответствующей площадки. Также указывается допустимое напряжение в вольтах и ​​емкость в микрофарадах.

Чаще всего встречаются случаи, не имеющие обозначения. Здесь может помочь только измеритель емкости.

Последовательное соединение конденсаторов

Последовательное соединение конденсаторов позволяет приложить к их якорям более высокое напряжение, чем при использовании отдельного накопителя. Напряжение на пластинах распределяется в соответствии с емкостью ячейки.

Если два запоминающих устройства имеют одинаковую емкость, подаваемое напряжение распределяется между ними поровну. Однако общая емкость будет вдвое меньше размера одного диска.

Вообще следует помнить это правило: при последовательном соединении конденсаторов они способны выдерживать более высокое напряжение, но за это нужно расплачиваться уменьшением емкости.

Параллельное соединение конденсаторов

Этот способ подключения является наиболее распространенным в практическом применении, поскольку мощности привода не всегда хватает, особенно в электрических фильтрах качественных источников питания. Параллельное соединение конденсаторов позволяет суммировать емкости отдельных накопителей. Это довольно легко запомнить, исходя из приведенной выше формулы, из которой видно, что с увеличением площади пластин емкость увеличивается.

Таким образом, при параллельном соединении конденсаторов происходит увеличение площади пластин, за счет чего они способны накапливать большее количество электрических зарядов.

Здесь обсуждаются основные параметры и номиналы конденсаторов.

Устройство конденсаторов

Конструкции современных конденсаторов различны, но можно выделить несколько типичных вариантов:

Пакетная конструкция

Используется в стеклокерамических, керамических и стеклокерамических конденсаторах. Пакеты состоят из чередующихся слоев пластин и диэлектрика. Крышки могут быть изготовлены из фольги, а могут быть наложены на диэлектрические пластины – напылены или нанесены обжигом.

Каждый пакетный конденсатор имеет верхнюю и нижнюю пластины, которые имеют контакты на концах пакета. Кабели состоят из полосок проволоки или ленты. Пакет запрессован, запломбирован, покрыт защитной эмалью.

Трубчатая конструкция

Такой конструкции могут быть высокочастотные конденсаторы. Я керамическая трубка с толщиной стенки 0,25 мм. На его внешнюю и внутреннюю стороны путем обжига нанесен токопроводящий слой серебра. Снаружи деталь обработана изоляционным веществом. Внутренний вкладыш подводится к внешнему слою для прикрепления к нему гибкого кабеля.

Дисковая конструкция

Эта конструкция, как и трубчатая, используется при изготовлении высокочастотных конденсаторов.

Диэлектрик в дисковых конденсаторах – керамический диск. На нем обжигаются серебряные пластины, к которым подключаются гибкие кабели.

Литая секционированная конструкция

Применяется в монолитных многослойных керамических конденсаторах, используемых в современном оборудовании, в том числе со встроенными микросхемами. Одна деталь с 2 канавками изготовлена ​​методом литья керамики. Канавки заполнены серебряной пастой, которая фиксируется имплантатом. Гибкие кабели припаяны к серебряным вставкам.

Рулонная конструкция

Типично для низкочастотных бумажно-пленочных конденсаторов большой емкости. Скручивают бумажную ленту и металлическую фольгу. В металло-бумажных конденсаторах на бумажное полотно наносится металлический слой толщиной до 1 микрона.

Виды конденсаторов

Емкостные элементы классифицируются по типу диэлектрика, используемого в конструкции.

Бумажные и металлобумажные конденсаторы

Элементы используются в цепях с постоянным или слегка пульсирующим напряжением. Простота конструкции приводит к снижению стабильности характеристик на 10-25% и увеличению потерь.

В бумажных конденсаторах бумагу разделяют алюминиевые пластины. Наборы скручены и помещены в тело цилиндрической или прямоугольной формы в виде параллелепипеда.

Устройства работают при температурах от -60 до + 125 ° C, с номинальным напряжением до 1600 В для низковольтных устройств, выше 1600 В для высоковольтных устройств и емкостью до десятков микрофарад.

В устройствах «металл-бумага» вместо фольги на диэлектрическую бумагу наносится тонкий слой металла. Это помогает уменьшить размер элементов. При незначительных сбоях возможно самовосстановление диэлектрика. Металлические бумажные элементы уступают бумажным элементам по сопротивлению изоляции.

Электролитические конденсаторы

Дизайн изделий напоминает бумагу. Но при производстве электролизеров бумагу пропитывают оксидами металлов.

В изделиях с безбумажным электролитом оксид наносится на металлический электрод. Оксиды металлов обладают односторонней проводимостью, что делает прибор полярным.

В некоторых моделях электролизеров пластины выполнены с бороздками, увеличивающими поверхность электрода. Зазоры в пространстве между пластинами устраняют заливкой электролитом. Это улучшает емкостные свойства продукта.

Большая емкость электролитических устройств – сотни микрофарад, используется в фильтрах для сглаживания пульсаций напряжения.

Алюминиевые электролитические

В устройствах этого типа анодная пластина состоит из алюминиевой фольги. Поверхность покрыта оксидом металла – диэлектриком. Катодная пластина представляет собой твердый или жидкий электролит, который подбирается таким образом, чтобы оксидный слой на фольге восстанавливался в процессе эксплуатации. Самовосстановление диэлектрика продлевает срок службы элемента.

Конденсаторы такой конструкции требуют полярности. Как только его снова включат, он сломает корпус.

Устройства с внутренними последовательными полярными сборками используются в 2-х направлениях. Емкость алюминиевых электролизеров достигает нескольких тысяч микрофарад.

Танталовые электролитические

Анодный электрод этих устройств представляет собой пористую структуру, полученную при нагревании порошка тантала до + 2000 ° C. Материал выглядит как губка. Пористость увеличивает поверхность.

С помощью электрохимического окисления на анод наносится слой пятиокиси тантала толщиной до 100 нанометров. Твердый диэлектрик состоит из диоксида марганца. Готовая конструкция прессуется в компаунд – специальную смолу.

Танталовые изделия используются при частотах тока выше 100 кГц. Емкость создается до сотен мкФ, при рабочем напряжении до 75 В.

Полимерные

В конденсаторах используется твердый полимерный электролит, что дает ряд преимуществ:

• продолжительность увеличена до 50 тысяч часов;
• параметры сохраняются при нагреве;
• расширяется допустимый диапазон пульсаций тока;
• сопротивление пластин и кабелей не влияет на емкость.

Пленочные

Диэлектрик в этих моделях представляет собой тефлоновую, полиэфирную, фторопластовую или полипропиленовую пленку.

Покрытия: пленка или металлическое напыление на пленку. Конструкция используется для создания многослойных сборок с большей площадью поверхности.

Пленочные конденсаторы при их миниатюрных размерах имеют емкость в сотни микрофарад. В зависимости от расположения слоев и контактов создаются осевые или радиальные формы изделий.

Некоторые модели имеют номинальное напряжение 2 кВ или выше.

Неполярные конденсаторы

К неполярным конденсаторам относятся конденсаторы, для которых полярность не важна. Такие конденсаторы симметричны. Обозначение неполярных конденсаторов на схемах подключения выглядит так.

Обозначение конденсатора на схеме

Конденсаторы переменной емкости

Эти типы конденсаторов имеют воздушный диэлектрик и могут изменять свою емкость под воздействием внешней силы, такой как человеческая рука. Ниже на фото советские типы таких переменных конденсаторов.

Переменные конденсаторы

Современные выглядят немного лучше

Переменный конденсатор отличается от подстроечного только тем, что переменный конденсатор скручен толще подстроечного. Триммер перекручивается раз в жизни)

Схемы обозначены следующим образом.

Переменное обозначение конденсатора на схеме

Слева – вариатор, справа – триммер.

Пленочные конденсаторы

Пленочные конденсаторы являются наиболее распространенными в большом семействе конденсаторов. Называются они так потому, что вместо диэлектрика здесь используется тонкая пленка, которая может состоять из полиэстера, полипропилена, поликарбоната, тефлона и многого другого. Такие конденсаторы варьируются от 5 пФ до 100 мкФ. Они могут быть изготовлены по следующему принципу

А также по принципу прокатки

Взглянем на советский пленочный конденсатор К73-9.

к73-9 советский конденсатор

Что внутри него? Мы смотрим.

Как и ожидалось, рулон диэлектрической пленки

что внутри конденсатора

Керамические конденсаторы

Керамические конденсаторы – это конденсаторы из керамики или фарфора, покрытые серебром. Берут квадратный или круглый диск, посыпают серебром с двух сторон, вытаскивают выводы и вуаля! Конденсатор готов! То есть есть простейший плоский конденсатор, о котором мы говорили выше в этой статье.

Вы хотите больше возможностей? Без проблем! Складываем диски в бутерброд и увеличиваем емкость

Керамические конденсаторы могут выглядеть так:

керамические конденсаторы
керамические конденсаторы падения

SMD конденсаторы

Конденсаторы SMD – это керамические конденсаторы, построенные по принципу сэндвича.

конструкция конденсатора SMD

Они используются в микроэлектронике, так как они маленькие и удобные с точки зрения промышленного производства с использованием роботов, которые автоматически размещают SMD-компоненты на плате. Вы можете легко найти этот тип конденсатора на платах своих сотовых телефонов, материнских плат компьютеров, а также в современных гаджеты.

Полярные конденсаторы

Для поляризованных конденсаторов очень важно при установке не перепутать провода местами. Плюсовая ножка должна быть подключена к плюсу на схеме, а минус – к минусу. Полярные конденсаторы обозначаются так же, как и их аналоги. Единственное отличие – указание полярности такого конденсатора. На схемах они могут выглядеть так.

обозначение полярных конденсаторов на схеме

Электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы используются в электронике и электротехнике, где требуются высокие значения емкости. Так родилось название «электролиты”.

электролитические конденсаторы

Конструкция электролитических конденсаторов очень похожа на пленочные конденсаторы, которые также собираются по принципу рулона, но с одним отличием. Вместо диэлектрика здесь используется оксид алюминия.

структура электролитического конденсатора

Давайте посмотрим на один из этих электролитических конденсаторов на благо науки.

Снимаем его тело и видим такой же рулон

Раскатываем «рулон» и видим, что между двумя пластинами из металлической фольги у нас пропитана бумага, пропитанная каким-то раствором.

что внутри электролитического конденсатора

Некоторые ошибочно полагают, что бумага – это тот же диэлектрик, хотя это в корне неверно. Как он может быть диэлектриком, если его погрузить в раствор, проводящий электрический ток?

Действительно, диэлектрик в данном случае представляет собой тончайший слой оксида алюминия, который на производстве получают электрохимическим способом. Все это выглядит так:

схема строения электролитического конденсатора

Слой оксида алюминия настолько тонкий, что можно изготавливать конденсаторы большой емкости с небольшими размерами. Вы ведь не забыли формулу емкости плоского конденсатора?

где d – тот же слой оксида алюминия. Чем он тоньше, тем больше емкость.

На полярных конденсаторах часто можно увидеть такой значок в виде стрелки, который указывает на отрицательную клемму конденсатора.

обозначение отрицательной клеммы электролитического конденсатора

То есть в электрических цепях с постоянным током необходимо соблюдать правило: больше за больше и меньше за меньшее. Если перемешать, конденсатор может дребезжать.

Танталовые конденсаторы

Танталовые конденсаторы доступны как в мокром, так и в сухом исполнении. Однако в сухом виде они встречаются гораздо чаще. Здесь в качестве диэлектрика используется оксид тантала. Оксид тантала имеет лучшие свойства, чем оксид алюминия. Если самым большим недостатком электролитических конденсаторов является их высокий ток утечки, танталовые конденсаторы лишены этого недостатка. Недостаток танталовых конденсаторов в том, что они рассчитаны на более низкое напряжение, чем собираются с электролитами. Танталовые конденсаторы также поляризованы, как электролитические конденсаторы.

Танталовые конденсаторы могут выглядеть так

танталовые конденсаторы

или так

танталовые капельные конденсаторы

Ионисторы

Также существует особый класс конденсаторов – суперконденсаторы. Их также иногда называют суперконденсаторами или золотыми конденсаторами. Нет, не потому, что там золото. Сам принцип работы суперконденсатора дороже золота. Чтобы получить максимальную емкость, нам нужно смазать «сгущенку» (диэлектрик) тонким слоем или увеличить площадь блинов (металлических пластин). Поскольку увеличивать слой блинов на неопределенный срок очень дорого, разработчики решили уменьшить диэлектрический слой. Поскольку диэлектрический слой между пластинами суперконденсатора, то есть «слой сгущенного молока», составляет 5-10 нанометров, то емкость суперконденсатора достигает впечатляющих значений! Представьте, сколько заряда может накопить такой суперконденсатор!

Емкость таких конденсаторов может достигать десяти фарад. Поверьте, это очень много. Суперконденсаторы выглядят как обычные таблетки и даже могут быть похожи на конденсаторы цилиндрической формы. Чтобы отличить их от конденсаторов, достаточно посмотреть на указанную на них емкость. Если есть блоки Фарада, то это точно суперконденсатор!

суперконденсатор


большой суперконденсатор

В настоящее время суперконденсаторы получили широкое распространение в электронике и электротехнике. Они заменяют небольшие низковольтные батареи, потому что конструктивно суперконденсатор пока не может быть рассчитан на напряжение выше нескольких вольт. Но можно их последовательно соединить и снять нужное напряжение. Но это удовольствие недешевое :-).

Они также заряжаются очень быстро, поскольку их сопротивление ограничено только их кабелями. А согласно закону Ома, чем меньше сопротивление проводника, тем больше по нему протекает ток и, следовательно, тем быстрее заряжается суперконденсатор. Суперконденсаторы можно заряжать и разряжать практически бесконечно.

Как рассчитать электроемкость конденсатора

Вне пластин векторы напряжений будут направлены в противоположные стороны друг от друга, а значит, E будет равно нулю. Если мы обозначим заряд каждой пластины как q, а ее площадь как S, отношение qS даст нам представление о поверхностной плотности. Умножив E на расстояние между пластинами (d), мы получим разность потенциалов между пластинами в однородном электрическом поле. Теперь мы берем оба этих отношения и выводим формулу, по которой можно рассчитать емкость конденсатора.

C = q∆φ = σ SE d = ε0Sd.

Определение 5

Электрическая емкость плоского конденсатора – величина, обратно пропорциональная расстоянию между пластинами и прямо пропорциональная их площади.

Заполнение пространства между проводниками диэлектрическим материалом может увеличить емкость плоского конденсатора в неопределенное количество раз.

Определение 6

Введем обозначение емкости в виде буквы С и запишем в виде формулы:

C = εε0Sd.

Эта формула называется формулой электрической емкости плоского конденсатора.

Конденсаторы не просто плоские. Возможны другие конфигурации, даже с определенными свойствами.

Определение 7

Сферический конденсатор представляет собой систему из двух концентрических сфер из проводящего материала, радиусы которых равны соответственно R1 и R2.

Определение 8

Цилиндрический конденсатор представляет собой систему из двух цилиндрических проводников, длина которых L и радиусы R1 и R2.

Укажем диэлектрическую проницаемость диэлектрического материала как и запишем формулы, по которым можно найти электрическую емкость конденсаторов:

• C = 4πε0εR1R2R2-R1 (сферический конденсатор),
• C = 2πε0εLlnR2R1 (цилиндрический конденсатор).

Плоский конденсатор

Определение 2

Плоский конденсатор состоит из двух противоположно заряженных пластин, разделенных тонким диэлектрическим слоем, как показано на рисунке 1.

Формула для расчета электрической емкости записывается как

C = εε0Sd, где S – площадь пластины, d – расстояние между ними, – диэлектрическая проницаемость вещества. Меньшее значение d способствует большему совпадению расчетной емкости с реальной.

Картинка 1

При известной электрической емкости конденсатора, заполненного N слоями диэлектрика, толщина слоя с номером i равна di, расчет диэлектрической проницаемости этого слоя εi производится по формуле:

С = ε0Sd1ε1 + d2ε2 +… + dNεN.

Ток утечки конденсатора

Дело в том, что каким бы ни был диэлектрик, конденсатор все равно рано или поздно разрядится, так как, как ни странно, через диэлектрик все равно течет ток. Величина этого тока также различна для разных конденсаторов. Электролитические конденсаторы имеют самый высокий ток утечки.

Также ток утечки зависит от напряжения между пластинами конденсатора. Здесь уже работает закон Ома: I = U / R диэлектрик. Поэтому никогда не следует прикладывать напряжение выше максимального рабочего напряжения, указанного в технических характеристиках или на самом конденсаторе.

Сферический конденсатор

Определение 3

Когда проводник имеет форму шара или сферы, внешняя замкнутая оболочка представляет собой концентрическую сферу, что означает, что конденсатор имеет сферическую форму.

он состоит из двух проводящих концентрических сферических поверхностей с зазором между пластинами, заполненными диэлектриком, как показано на рисунке 2. Емкость рассчитывается по формуле:

C = 4πεε0R1R2R2-R1, где R1 и R2 – радиусы пластин.

Фигура 2

Вам нужна помощь учителя? Опишите задачу и наши специалисты помогут вам

Цилиндрический конденсатор

Емкость цилиндрического конденсатора равна:

C = 2πεε0llnR2R1, где l – высота цилиндров, R1 и R2 – радиусы пластин. Конденсатор этого типа имеет две коаксиальные поверхности проводящих цилиндрических поверхностей, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3

Определение 4

Важной характеристикой конденсаторов является напряжение пробоя – напряжение, при котором электрический разряд возникает на диэлектрическом слое.

Umax зависит от толщины слоя и свойств диэлектрика, конфигурации конденсатора.

Электроемкость плоского конденсатора. Формулы

Помимо индивидуальных конденсаторов используются их соединения. Наличие параллельного включения конденсаторов используется для увеличения их емкости. Тогда поиск результирующей емкости соединения сводится к написанию суммы Ci, где Ci- емкость конденсатора номер i:

C = ∑i = 1NCi.

Когда конденсаторы подключаются последовательно, общая емкость соединения всегда будет меньше минимума любого конденсатора, включенного в систему. Чтобы вычислить результирующую емкость, прибавьте обратные значения к емкостям отдельных конденсаторов:

Пример 1

Рассчитайте емкость плоского конденсатора с известной площадью пластин
1 см2 с расстоянием между ними 1 мм. Пространство между пластинами находится в вакууме.

Решение

Для расчета емкости конденсатора применяется формула:

C = εε0Sd.

Ценности:

Ε = 1, ε0 = 8,85 · 10-12 фм; S = 1 см2 = 10-4 м2; d = 1 мм = 10-3 м.

Замените числовые выражения и вычислите:

C = 8,85 10-12 10-410-3 = 8,85 10-13 (F).

Ответ: C≈0,9 пФ.

Пример 2

Найти напряженность электростатического поля для сферического конденсатора на расстоянии x = 1 см = 10-2 м от поверхности внутренней пластины при внутреннем радиусе пластины R1 = 1 см = 10-2 м, внешней – R2 = 3см = 3 · 10-2м. Значение напряжения 103 В.

Решение

Заряженная сфера, которую он производит, создает напряженность поля. Его значение рассчитывается по формуле:

E = 14πεε0qr2, где q обозначает заряд внутренней сферы, r = R1 + x – расстояние от центра сферы.

Для определения заряда необходимо применить определение емкости конденсатора C:

q = CU.

Для сферического конденсатора формула вида

C = 4πεε0R1R2R2-R1 с радиусами пластины R1 и R2.

Подставляем выражения, чтобы получить желаемое напряжение:

E = 14πεε0U (x + R1) 24πεε0R1R2R2-R1 = U (x + R1) 2R1R2R2-R1.

Данные представлены в системе СИ, поэтому достаточно заменить буквы числовыми выражениями:

E = 103 (1 + 1) 2 10-4 10-2 3 10-23 10-2-10-2 = 3 10-18 10-6 = 3,45 104 Ом.

Ответ: E = 3,45 · 104 Вм.

Формула сопротивления конденсатора

С помощью физико-математических преобразований физики и математики они вывели формулу для расчета сопротивления конденсатора. Прошу любить и жаловать:

где, XC – сопротивление конденсатора, Ом

P – постоянный и равный примерно 3,14

F – частота, измеренная в Герцах

С – емкость, измеряемая в фарадах

Итак, задайте частоту в этой формуле равной нулю герц. Частота в ноль герц – это постоянный ток. Что происходит? 1/0 = бесконечное или очень высокое сопротивление. Короче обрыв цепи.

В чем отличие полярного и неполярного?

Неполярные допускают включение конденсаторов в цепь независимо от направления тока. Элементы используются в фильтрах регулируемых источников питания, усилителях высокой частоты.

Изделия Polar подключаются согласно маркировке. Если включить в обратном направлении, устройство будет повреждено или не будет работать нормально.

Большие и малые поляризованные и неполярные конденсаторы различаются диэлектрической конструкцией. В электролитических конденсаторах, если оксид наносится на 1 электрод или 1 сторону бумажной пленки, элемент будет полярным.

В цепи переменного тока включены модели неполярных электролитических конденсаторов, в конструкциях которых оксид металла наносился симметрично на обе поверхности диэлектрика.

У полярных есть маркировка положительного или отрицательного электрода на корпусе.

Где применяются конденсаторы?

Работа электронных, радио и электрических устройств невозможна без конденсаторов.

В электротехнике устройство используется для сдвига фаз при пуске асинхронных двигателей. Без фазового сдвига трехфазный асинхронный двигатель в регулируемой однофазной сети выйдет из строя.

Конденсаторы емкостью в несколько фарад – суперконденсаторы, используются в электромобилях в качестве источника энергии для двигателя.

Чтобы понять, зачем нужен конденсатор, нужно знать, что 10-12% приборов учета работают по принципу изменения электрической емкости при изменении параметров внешней среды. Емкостный отклик специальных устройств используется для:

• запись слабых движений за счет увеличения или уменьшения расстояния между пластинами;
• определение влажности путем регистрации изменения диэлектрической прочности;
• измерить уровень жидкости, который изменяет емкость элемента при наполнении.

Сложно представить, как устроена автоматика и защита реле без конденсаторов. Некоторые логики защиты учитывают кратность подзарядки устройства.

Емкостные элементы используются в схемах устройств мобильной связи, радио и телевизионного оборудования. Конденсаторы используются в:

• усилители высокой и низкой частоты;
• запасы энергии;
• частотные фильтры;
• усилители звука;
• процессоры и другие микросхемы.

Ответ на вопрос, что такое конденсатор, несложно найти, если посмотреть на электрические схемы электронных устройств.

От чего зависит ёмкость?

Основная функция и роль конденсатора в схеме – хранить заряды, а дополнительный – предотвращать потери.

Величина емкости конденсатора прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости среды и площади пластин и обратно пропорциональна расстоянию между электродами. Есть 2 противоречия:

1. Для увеличения емкости электроды нужны как можно более толстые, широкие и длинные. В этом случае размер устройства не может быть увеличен.
2. Для удержания зарядов и обеспечения необходимой силы притяжения расстояние между пластинами минимизировано. В этом случае ток короткого замыкания не может быть уменьшен.

Для разрешения противоречий разработчики используют:

• многослойные структуры диэлектрика и пары электродов;
• пористые анодные структуры;
• заменить бумагу оксидами и электролитами;
• параллельное включение элементов;
• заполнение свободного пространства веществами с повышенной диэлектрической проницаемостью.

Конденсаторы становятся все меньше и лучше с каждым новым изобретением.