В электрической цепи каждого прибора есть такой элемент, как конденсатор. Это он служит для наполнения энергией, которая нужна для правильной и бесперебойной работы оборудования.

Что такое конденсатор

Каждый конденсатор - это устройство, обладающее набором технических параметров, которые стоит рассмотреть детально.

Конденсаторы можно встретить во многих отраслях электротехники. Их непосредственная область применения:

• Создание цепей, колебательных контуров.
• Получение импульса с большим количеством мощности.
• В промышленной электротехнике.
• В изготовлении датчиков.
• Усовершенствование работы защитных устройств.

Емкость конденсатора

Для каждого конденсатора главный параметр - это его емкость. У каждого устройства она своя и измеряется она в Фарадах. В основе электроники и радиотехники используют конденсаторы с миллионной долей Фарад. Чтобы узнать номинальную емкость устройства, достаточно просмотреть его корпус, на котором имеется вся информация. Показания емкости могут изменяться из-за следующих параметров:

• Общая площадь всех обкладок.
• Расстояние между ними.
• Материал, из которого сделан диэлектрик.
• Температура окружающей среды.

Наряду с номинальной емкостью существует еще и реальная. Ее значение намного ниже предыдущей. По реальной емкости можно определить основные электрические параметры. Емкость определяют от заряда обкладки и ее напряжения. Максимальная емкость может достигать нескольких десятков Фарад. Конденсатор может также быть охарактеризован удельной емкостью. Это отношение емкости и объема диэлектрика. Маленькая толщина диэлектрика обеспечивает большое значение удельной емкости. Каждый конденсатор может изменять свою емкость, и делятся они на следующие типы:

• Постоянные конденсаторы - они практически не меняют свою емкость.
• Переменные конденсаторы - значение емкости изменяется в ходе работы оборудования.
• Подстроечные конденсаторы - изменяют свою емкость от регулировки аппаратуры.

Напряжение конденсатора

Напряжение считается еще одним из важных параметров. Чтобы конденсатор выполнял свои функции в полном объеме, нужно знать точное показание напряжения. Оно указывается на корпусе устройства. Номинальное напряжение напрямую зависит от сложности конструкции конденсатора и основных свойств материалов, используемых при его изготовлении. Напряжение, подаваемое на конденсатор, должно полностью совпадать с номинальным. Многие устройства при работе нагреваются, в таком случае напряжение понижается. Часто из-за большой разницы в напряжениях конденсатор может перегореть или взорваться. Также это происходит из-за утечки или повышения сопротивления. Для безопасной работы конденсатора его оснащают защитным клапаном и насечкой на корпусе. Как только происходит увеличение давления, клапан автоматически открывается, и по намеченной насечке корпус ломается. Из конденсатора в таком случае электролит выходит в виде газа и не происходит никакого взрыва.

Допуски конденсаторов

Самый простой конденсатор - это два электрода, сделанные в форме пластин, которые разделяются тонкими изоляторами. Каждое устройство имеет отклонение, которое допустимо при его работе. Эту величину также можно узнать по маркировке устройства. Его допуск измеряется и указывается в процентном соотношении и может лежать в пределах от 20 до 30%. Для электротехники, которая должна работать с высокой точностью, можно использовать конденсаторы с маленьким значением допуска, не больше 1%.
Приведенные параметры являются основными для работы конденсатора. Зная их значения, можно использовать конденсаторы для самостоятельной сборки аппаратов или машин.

Виды конденсаторов

Существует несколько основных видов конденсаторов, которые используют в различной технике. Итак, стоит рассмотреть каждый вид, его описания и свойства:

У каждого конденсатора свое предназначение, поэтому их дополнительно классифицируют на общие и специальные. Общие конденсаторы применяют в любых видах и классах аппаратуры. В основном это низковольтные устройства. Специальные конденсаторы - это все остальные виды устройств, которые являются высоковольтными, импульсными, пусковыми и другими различными видами.

Особенности плоского конденсатора

Так как конденсатор - это устройство, предназначенное для накопления напряжения и его дальнейшего распределения, поэтому нужно выбирать его с хорошей электроемкостью и «пробивным» напряжением. Одним из таких является плоский конденсатор. Выпускается он в виде двух тонких пластин определенной площади, которые расположены на близком расстоянии друг от друга. Плоский конденсатор обладает двумя зарядами: положительным и отрицательным.

Пластины плоского конденсатора между собой имеют однородное электрическое поле. Этот тип устройства не вступает во взаимодействие с другими приборами. Пластина конденсатора способна усиливать электрическое поле.

Правильный заряд конденсатора

Он является хранилищем для электрических зарядов, которые должны постоянно заряжаться. Заряд конденсатора происходит за счет подключения его к сети. Чтобы зарядить устройство, нужно правильно подсоединить его. Для этого берут цепь, которая состоит из разряженного конденсатора с емкостью, резистором, и подключают к питанию с постоянным напряжением.

Разряжается конденсатор по следующему типу: замыкают ключ, и пластины его соединяются между собой. В это время конденсатор разряжается, и между его пластинами исчезает электрическое поле. Если конденсатор разряжается через провода, то на это уйдет много времени, так как в них накапливается много энергии.

Зачем нужен контур конденсатора

В контурах находятся конденсаторы, которые изготавливаются из пары пластин. Для их изготовления берут алюминий или латунь. Хорошая работа радиотехники зависит от правильной настройки контуров. Самая обычная цепь контура состоит из одной катушки и конденсатора, которые между собой замкнуты в электрическую цепь. Есть условия, которые влияют на появление колебаний, поэтому чаще всего контур конденсатора называют колебательным.

Заключение

Конденсатор - это пассивное устройство в электрической цепи, которое используется в качестве емкости для хранения электричества. Чтобы средство для накопления энергии в электрических цепях, именуемое конденсатором, проработало долго, нужно следовать указанным условиям, которые прописаны на корпусе устройства. Область применения широкая. Используют конденсаторы в радиоэлектронике и различной аппаратуре. Подразделяются устройства на много разных видов и выпускаются многообразной конструкцией. Конденсаторы могут соединяться двумя видами: параллельным и последовательным. Также на корпусе устройства есть информация о емкости, напряжении, допуске и его типе. Стоит запомнить, что при подключении конденсатора стоит соблюдать полярность. В противном случае устройство быстро выйдет из строя.

После того, как было установлено разделение тел на проводники и непроводники, а опыты с электростатическими машинами получили широчайшее распространение, совершенно естественной была попытка «накопить» электрические заряды в каком-то стеклянном сосуде, который мог их сохранить. Среди многих физиков, занявшихся подобными экспериментами, наибольшую известность получил голландский профессор из г. Лейдена Мусхенбрук (Мушенбрек) (1692—1761 гг.).

Зная, что стекло не проводит электричества, он (в 1745 г.) взял стеклянную банку (колбу), наполненную водой, опустил в нее медную проволоку, висевшую на кондукторе электрической машины, и, взяв банку в правую руку, попросил своего помощника вращать шар машины. При этом он правильно предположил, что заряды, поступавшие с кондуктора, будут накапливаться в стеклянной банке.

После того, как по его мнению, в банке накопилось достаточное количество зарядов, он решил левой рукой отсоединить медную проволоку. При этом он ощутил сильный удар, ему показалось, что «пришел конец». В письме Реомюру в Париж (в 1746 г.) он писал, что этот «новый и страшный опыт советую самим никак не повторять» и что «даже ради короны Франции он не согласится подвергнуться столь ужасному сотрясению».

Так была изобретена лейденская банка (по имени г. Лейдена), а вскоре и первый простейший конденсатор, одно из распространеннейших электротехнических устройств.

Опыт Мусхенбрука произвел подлинную сенсацию не только среди физиков, но и многих любителей, интересовавшихся электрическими опытами.

Независимо от Мусхенбрука в том же 1745 г. к созданию лейденской банки пришел и немецкий ученый Э.Г. Клейст. Опыты с лейденской банкой стали производить физики разных стран, а в 1746—1747 гг. первые теории лейденской банки разработали знаменитый американский ученый Б. Франклин и хранитель физического кабинета англичанин В. Уатсон. Небезынтересно отметить, что Уатсон стремился определить скорость распространения электричества, «заставив» его «пробежать» 12 000 футов.

Одним из важнейших последствий изобретения лейденской банки явилось установление влияния электрических разрядов на организм человека, что привело к зарождению электромедицины.

Опыт Мусхенбрука был повторен в присутствии французского короля аббатом Нолле. Он образовал цепь из 180 гвардейцев взявшихся за руки, причем первый держал банку в руке, а последний прикасался к проволоке, извлекая искру. «Удар почувствовался всеми в один момент; было курьезно видеть разнообразие жестов и слышать мгновенный вскрик десятков людей». От этой цепи солдат и произошел термин «электрическая цепь».

Постепенно конструкция лейденской банки совершенствовалась: воду заменили дробью, а затем наружная поверхность покрывалась тонкими свинцовыми пластинами; позднее внутреннюю и наружную поверхности стали покрывать оловянной фольгой, и банка приобрела современный вид.

При проведении исследований с банкой было установлено (в 1746г. англичанином Б. Вильсоном), что количество электричества, собираемое в банке, пропорционально размеру обкладок и обратно пропорционально толщине изоляционного стоя. В 70-х гг. XVIII в. металлические пластины стали разделять не стеклом, а воздушным промежутком — так, появился простейший конденсатор.

по материалам.

Используемые сегодня практически всюду в электронике и электротехнике, в качестве диэлектрика содержат различные вещества. Однако, что касается конкретно , в частности также танталовых и полимерных, то для них при включении в схему важно строгое соблюдение полярности. Если такой конденсатор включить в цепь неправильно, то он не сможет нормально работать. Данные конденсаторы называются поэтому полярными.

В чем же заключается принципиальное отличие полярного конденсатора от неполярного, почему одним конденсаторам все равно как быть включенными в схему, а другим принципиально важно соблюдение полярности? В этом и попробуем сейчас разобраться.

Дело здесь в том, что процесс изготовления электролитических конденсаторов сильно отличается от, скажем, . Если у последних двух как обкладки, так и диэлектрик однородны по отношению друг к другу, то есть нет различия в структуре на границе обкладка-диэлектрик с обеих сторон диэлектрика, то электролитические конденсаторы (цилиндрические алюминиевые, танталовые, полимерные) имеют различие в структуре перехода диэлектрик-обкладка с двух сторон диэлектрика: анод и катод отличаются по химическому составу и физическим свойствам.

Когда изготавливают электролитический алюминиевый конденсатор, то не просто скручивают в рулон две одинаковые обкладки из фольги, проложенные пропитанной электролитом бумагой.

Со стороны анодной обкладки (на которую подается +) присутствует слой оксида алюминия, нанесенный на травленую поверхность фольги особым способом. Анод призван отдавать электроны через внешнюю цепь катоду в процессе заряда конденсатора.

Отрицательная обкладка (катод) - просто алюминиевая фольга, на нее в процессе заряда приходят электроны по внешней цепи. Электролит здесь служит проводником ионов.

Так же обстоит дело и с танталовыми конденсаторами, где в качестве анода служит порошок тантала, на котором формируется пленка пентаоксида тантала (анод связан с оксидом!), несущего функцию диэлектрика, затем идет слой полупроводника — диоксида марганца в качестве электролита, затем серебряный катод, с которого будут уходить электроны в процессе разряда.

Полимерные электролитические конденсаторы в качестве катода используют легкий проводящий полимер, а в остальном все процессы аналогичны. Суть — окислительная и восстановительная реакции, как в аккумуляторной батарее. Анод окисляется во время электрохимической реакции разрядки, а катод восстанавливается.

Когда электролитический конденсатор заряжен, то имеет место избыток электронов на его катоде, на минусовой обкладке, сообщающий как раз отрицательный заряд этой клемме, а на аноде — недостаток электронов, дающий положительный заряд, таким образом получаем разность потенциалов.

Если заряженный электролитический конденсатор замкнуть на внешнюю цепь, то избыточные электроны побегут от отрицательно заряженного катода к положительно заряженному аноду, и заряд будет нейтрализован. В электролите положительные ионы движутся в этот момент от катода к аноду.

Если включить такой полярный конденсатор в цепь неправильно, то описанные реакции не смогут нормально протекать, и конденсатор не будет нормально работать. Неполярные же конденсаторы могут работать в любом включении, поскольку в них нет ни анода, ни катода, ни электролита, и их обкладки взаимодействуют с диэлектриком одинаково, ровно как и с источником.

А что если под рукой есть только полярные электролитические конденсаторы, а нужно осуществить включение конденсатора в цепь тока с меняющейся полярностью? Для этого существует одна хитрость. Нужно взять два одинаковых полярных электролитических конденсатора, и соединить их между собой последовательно одноименными клеммами. Получится один неполярный конденсатор из двух полярных, емкость которого будет в 2 раза меньше каждого из двух его составляющих.

На этой основе, кстати, изготавливают неполярные электролитические конденсаторы, в которых слой оксида присутствует на обеих обкладках. По этой причине неполярные электролитические конденсаторы имеют значительно больший размер, чем полярные аналогичной емкости. Основываясь на данном принципе, изготавливают также электролитические пусковые неполярные конденсаторы, рассчитанные на работу в цепях переменного тока частотой 50-60 Гц.

В статье мы расскажем про электроемкость, емкость конденсатора, про последовательное и параллельное соединение конденсаторов, а также как использовать закон Гаусса для расчета емкости конденсаторов с примерами и решениями.

Конденсатор (Электроемкость) –элемент, способный накапливать электромагнитную энергию в собственном электрическом поле, образуемом обкладками конденсатора. Обозначается – С . Напряжение и ток на его контактах связано зависимостью:

Величина ёмкости измеряется в фарадах (Ф).

1 фарада – это величина такой ёмкости, на которой имеет место падение напряжения 1 вольт при наличии заряда в ёмкости 1 кулон.

1 фарада – очень большая величина, поэтому применяемые в технике конденсаторы имеют величины: — пикофарад – 10 -12 ; нанофарад – 10 -9 ; микрофарад – 10 -6 .

Процессы, происходящие в конденсаторе на временном графике при подключении конденсатора к источнику прямоугольного однополярного сигнала, показаны на рисунке.

Из рисунка видно, что в момент подачи прямоугольного импульса источника тока (красный), напряжение на выводах конденсатора (фиолетовый) сначала равно нулю и с изменением времени увеличивается по экспоненте – конденсатор заряжается, а ток конденсатора (зелёный) наоборот сначала максимален, но потом по мере заряда уменьшается по экспоненте. При пропадании импульса, напряжение на выводах конденсатора уменьшается по экспоненте – конденсатор разряжается, а ток, изменивший полярность сначала максимален, и по мере разряда уменьшается из отрицательной области до нуля. Скорость изменения напряжения и тока зависит от значения ёмкости. Чем больше ёмкость, тем медленнее они изменяются (экспонента более вытянута по времени). Напряжение и ток на нагрузочном резисторе ведут себя одинаково, и изображены на временном графике оранжевым цветом. Их взаимосвязь описывается законом Ома.

Фактически, мы рассмотрели «четырёхполюсник» состоящий из конденсатора и резистора, который называют дифференцирующей цепочкой.

Дифференцирующая цепочка применяется для преобразования прямоугольных импульсов большой длительности в прямоугольные импульсы малой длительности. Чтобы, Вам было понятнее, дифференцирующая цепочка и преобразование импульса изображены на следующем рисунке.

Вслед за дифференцирующей цепочкой устанавливается пороговое устройство, не пропускающее через себя всё, что ниже по амплитуде установленного порога, с выхода порогового устройства, срезанные импульсы поступают на усилитель-ограничитель, который усиливает «кривой» импульс и ограничивая его амплитуду «сверху» пропускает его на выход.

Кроме функции преобразования прямоугольных импульсов, дифференцирующая цепочка может применяться в качестве фильтра высоких частот (ФВЧ) . Конденсатор – инертный элемент. Если к конденсатору с большой ёмкостью приложить переменное напряжение низкой частоты, в силу своей инертности, ёмкость будет не способной пропустить через себя ток, ведь конденсатору сначала надо будет зарядиться, а потом отдавать заряд. Свойство конденсатора сопротивляться переменному электрическому току называют реактивным сопротивлением конденсатора , которое используется при конструировании частотных фильтров и колебательных контуров. Реактивное сопротивление конденсатора обозначается Xc или Zc и измеряется в Омах. Реактивное сопротивление конденсатора связано с собственной ёмкостью и частотой тока выражением:

Из формулы видно, что реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте. Другими словами, чем выше частота, тем меньше реактивное сопротивление конденсатора .

Теперь представьте, что дифференцирующая цепь, это – описанный на сайте делитель напряжения, где вместо первого резистора выступает конденсатор. А мы из формулы теперь знаем, что конденсатор легко пропускает высокие частоты – его сопротивление минимально и плохо пропускает низкие частоты – его сопротивление максимально. В радиоэлектронике, когда рассчитывают частотные фильтры, то считают характеристикой фильтра – частоту среза, которая определяется как значение частоты сигнала, на котором амплитуда выходного сигнала уменьшается (затухает) до значения 0,7 от входного сигнала. Чтобы было понятнее, изображу это на рисунке.

То, что изображено, называется амплитудно-частотной характеристикой , или сокращённо — АЧХ . Для фильтра высоких частот соответствует АЧХ фиолетового цвета, и частота среза равная значению f2 .

Емкость конденсатора

Как мы уже видели, изолированный проводник может накапливать электрический заряд. Однако на практике мы используем устройства, называемые конденсаторами, для хранения нагрузки. Конденсатор представляет собой систему из двух произвольно изолированных проводников, зарядка конденсатора состоит не в отдельной зарядке каждого из проводников, а в переносе заряда (одинакового на обоих проводниках, но с противоположными знаками) от одного проводника к другому.

Мы определяем электрическую емкость C конденсатора точно так же, как емкость изолированного проводника.

Конденсаторы очень часто используются в технике. Они обычно строятся как система из двух поверхностей с разной изолированной поверхностью, которые обычно располагаются параллельно друг другу. Как будет видно далее, емкость такого конденсатора пропорциональна размеру поверхности пластин и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Таким образом, конденсатор большой емкости имеет большие поверхностные панели, которые расположены как можно ближе друг к другу. Простейшим таким конденсатором является плоский конденсатор, схематически показанный на рисунке ниже.

Пример двух конденсаторов, соединенных вместе, как показано на рисунке ниже (параллельно), может служить иллюстрацией постоянства заряда на крышках конденсаторов, не подключенных к источнику напряжения. Первоначально система нагрузки, которая охватывает один конденсатор заряда Q 1 и на крышке второго заряда Q 2 . Потенциал, на котором расположены верхние крышки, одинаков для обоих (крышки связаны с лампочкой). Когда мы начнем изменять расстояния между крышками одного из конденсаторов, то мы изменим его емкость — чем меньше зазор между крышками, тем больше емкость конденсатора. Поскольку общий заряд обоих конденсаторов неизменен, это изменение емкости вызовет перенос заряда между конденсаторами. Если конденсаторы заряжены достаточно большим зарядом, лампочка может светиться во время потока между крышками, образующими верхнюю пару. Энергия, необходимая для освещения лампы, исходит от работы, которую мы выполняем при перемещении крышки (верхняя и нижняя крышки заряжены противоположными знаками и поэтому притягиваются).

Схемы соединения конденсаторов

Существует множество различных схем соединения конденсаторов: последовательное подключение, параллельное, мостовое. И меняется абсолютно все показатели (Емкость, разность потенциалов, общая нагрузка) при различных видах подключения

Последовательное соединение конденсаторов

При последовательном соединении конденсаторов, как показано на рисунке ниже, значения зарядов на всех крышках всех конденсаторов одинаковы.

Разность потенциала в последовательной цепи конденсаторов равно сумме разностей потенциалов на отдельных конденсаторах:

Следовательно, совокупная емкость С последовательной системы определяется по формуле

Параллельное соединение конденсаторов

В параллельном соединении конденсаторов

общая нагрузка Q, накопленная в системе, равна сумме зарядов на крышках всех конденсаторов.

Уменьшение потенциала одинаково на каждом из конденсаторов и, следовательно,

Следовательно, общая емкость C параллельной системы равна сумме емкостей всех конденсаторов.

Мостовое соединение конденсаторов

Последовательные и параллельные соединения не исчерпывают всех возможных конфигураций, которые могут быть получены при подключении конденсаторов. Мы сможем описать все возможные конфигурации только после завершения предыдущих соединений с мостовым соединением, схема которых показана на левом рисунке ниже.

Мы не можем напрямую заменить мостовые комбинации любой комбинацией последовательных и параллельных соединений. Чтобы рассчитать запасную емкость системы моста, используйте изменение треугольника конденсатора на эквивалентную звезду, как показано на среднем и правом рисунках выше.

Емкости между точками 1-2, 2-3 и 3-1, которые мы обозначаем как C 12 , C 23 и C 31 , должны быть одинаковыми в обеих конфигурациях. На основе значений емкости C 1 , C 2 и C 3 рассчитывают C x , C y и C z . Условия равной емкости в обеих конфигурациях, для треугольника и для звезды, запишем как

Отсюда мы получаем искомые значения C x , C y и C z:

После замены треугольника на звезду мостовое соединение исчезает, и на его месте мы получаем простую и удобную для вычисления комбинацию последовательных и параллельных конденсаторов.

Использование закона Гаусса для расчета емкости конденсаторов

Имея емкость конденсатора с заданной геометрией для расчета, мы используем следующую схему:

Мы исходим из определения емкости конденсатора. Вставьте разность потенциалов Vab в формулу, определяющую эту емкость. Нагрузка Q уменьшается.

но нам не хватает разности потенциалов Vab, которую мы находим из соотношения между полями E и V,

3. Однако сначала мы должны знать E, и для этого мы будем использовать универсальный инструмент, который является законом Гаусса.