Принцип работы конденсатора. Зачем нужны конденсаторы? Подключение конденсатора

Конденсатор в цепи постоянного и переменного тока ведет себя абсолютно по разному.

Итак, берем постоянного напряжения и выставляем на его крокодилах напряжение в 12 Вольт. Лампочку тоже берем на 12 Вольт. Теперь между одним щупом блока питания и лампочки вставляем конденсатор:

Не-а, не горит.

А вот если напрямую сделать, то горит:

Отсюда напрашивается вывод: постоянный ток через конденсатор не течет!

Если честно, то в самый начальный момент подачи напряжения ток все-таки течет на доли секунды. Все зависит от емкости конденсатора.

Конденсатор в цепи переменного тока

Итак, чтобы узнать, течет ли переменный ток через конденсатор, нам нужен генератор переменного тока. Думаю, этот генератор частоты вполне сойдет:

Так как китайский генератор у меня очень слабенький, то мы вместо нагрузки-лампочки будем использовать простой на 100 Ом. Также возьмем и конденсатор емкостью в 1 микрофарад:

Спаиваем как-то вот так и подаем сигнал с генератора частоты:

Далее за дело берется Цифровой осциллограф OWON SDS6062 . Что такое осциллограф и с чем его едят, читаем здесь . Будем использовать сразу два канала. На одном экране будут высвечиваться сразу два сигнала. Здесь на экранчике уже видны наводки от сети 220 Вольт. Не обращайте внимание.

Будем подавать переменное напряжение и смотреть сигналы, как говорят профессиональные электронщики, на входе и на выходе. Одновременно.

Все это будет выглядеть примерно вот так:

Итак, если у нас частота нулевая, то это значит постоянный ток. Постоянный ток, как мы уже видели, конденсатор не пропускает. С этим вроде бы разобрались. Но что будет, если подать синусоиду с частотой в 100 Герц?

На дисплее осциллографа я вывел такие параметры, как частота сигнала и его амплитуда: F — это частота, Ma — амплитуда (эти параметры пометил белой стрелочкой). Первый канал помечен красным цветом, а второй канал — желтым, для удобства восприятия.

Красная синусоида показывает сигнал, который выдает нам китайский генератор частоты. Желтая синусоида — это то, что мы уже получаем на нагрузке. В нашем случае нагрузкой является резистор. Ну вот, собственно, и все.

Как вы видите на осциллограмме выше, с генератора я подаю синусоидальный сигнал с частотой в 100 Герц и амплитудой в 2 Вольта. На резисторе мы уже видим сигнал с такой же частотой (желтый сигнал), но его амплитуда составляет каких-то 136 милливольт. Да еще и сигнал получился какой-то «лохматый». Это связано с так называемыми « «. Шум — это сигнал с маленькой амплитудой и беспорядочным изменением напряжения. Он может быть вызван самими радиоэлементами, а также это могут быть помехи, которые ловятся из окружающего пространства. Например очень хорошо «шумит» резистор. Значит «лохматость» сигнала — это сумма синусоиды и шума.

Амплитуда желтого сигнала стала меньше, да еще и график желтого сигнала сдвигается влево, то есть опережает красный сигнал, или научным языком, появляется сдвиг фаз . Опережает именно фаза, а не сам сигнал. Если бы опережал сам сигнал, то у нас бы тогда получилось, что сигнал на резисторе появлялся бы по времени раньше, чем сигнал, поданный на него через конденсатор. Получилось бы какое-те перемещение во времени:-), что конечно же, невозможно.

Сдвиг фаз — это разность между начальными фазами двух измеряемых величин . В данном случае напряжения. Для того, чтобы произвести замер сдвига фаз, должно быть условие, что у этих сигналов одна и та же частота . Амплитуда может быть любой. Ниже на рисунке приведен этот самый сдвиг фаз или, как еще его называют, разность фаз :

Давайте увеличим частоту на генераторе до 500 Герц

На резисторе уже получили 560 милливольта. Сдвиг фаз уменьшается.

Увеличиваем частоту до 1 КилоГерца

На выходе у нас уже 1 Вольт.

Ставим частоту 5 Килогерц

Амплитуда 1,84 Вольта и сдвиг фаз явно стает меньше

Увеличиваем до 10 Килогерц

Амплитуда уже почти такая же как и на входе. Сдвиг фаз менее заметен.

Ставим 100 Килогерц:

Сдвига фаз почти нет. Амплитуда почти такая же, как и на входе, то есть 2 Вольта.

Отсюда делаем глубокомысленные выводы:

Чем больше частота, тем меньшее сопротивление конденсатор оказывает переменному току. Сдвиг фаз убывает с увеличением частоты почти до нуля. На бесконечно низких частотах его величина составляет 90 градусов или π/2 .

Если построить обрезок графика, то получится типа что-то этого:

По вертикали я отложил напряжение, по горизонтали — частоту.

Итак, мы с вами узнали, что сопротивление конденсатора зависит от частоты. Но только ли от частоты? Давайте возьмем конденсатор емкостью в 0,1 микрофарад, то есть номиналом в 10 раз меньше, чем предыдущий и снова прогоним по этим же частотам.

Смотрим и анализируем значения:

Внимательно сравните амплитудные значения желтого сигнала на одной и той же частоте, но с разными номиналами конденсатора. Например, на частоте в 100 Герц и номиналом конденсатора в 1 мкФ амплитуда желтого сигнала равнялась 136 милливольт, а на этой же самой частоте амплитуда желтого сигнала, но с конденсатором в 0,1 мкФ уже была 101 милливольт(в реальности еще меньше из за помех). На частоте 500 Герц — 560 милливольт и 106 милливольт соответственно, на частоте в 1 Килогерц — 1 Вольт и 136 милливольт и так далее.

Отсюда вывод напрашивается сам собой: при уменьшении номинала конденсатора его сопротивление стает больше.

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

где, Х С — это сопротивление конденсатора, Ом

П — постоянная и равняется приблизительно 3,14

F — частота, измеряется в Герцах

С — емкость, измеряется в Фарадах

Так вот, поставьте в эту формулу частоту в ноль Герц. Частота в ноль Герц — это и есть постоянный ток. Что получится? 1/0=бесконечность или очень большое сопротивление. Короче говоря, обрыв цепи.

Заключение

Забегая вперед, могу сказать, что в данном опыте мы получили (ФВЧ). С помощью простого конденсатора и резистора, применив где-нибудь в звуковой аппаратуре такой фильтр на динамик, в динамике мы будет слышать только писклявые высокие тона. А вот частоту баса как раз и заглушит такой фильтр. Зависимость сопротивления конденсатора от частоты очень широко используется в радиоэлектронике, особенно в различных фильтрах, где надо погасить одну частоту и пропустить другую.

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).

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).

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).

Устройство конденсаторов и их применение в технике. В зависимости от применяемого диэлектрика конденсаторы бывают бумажными, слюдяными, воздушными (рис. 184). 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.

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 созда-

ния 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). 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 /C эк = 1 /C 1 + 1 /C 2 + 1 /C 3

эквивалентное емкостное сопротивление

X C эк = X C 1 + X C 2 + X C 3

результирующее емкостное сопротивление

C эк = C 1 + C 2 + C 3

При параллельном соединении конденсаторов (рис. 187,б) их результирующая емкость

1 /X C эк = 1 /X C 1 + 1 /X C 2 + 1 /X C 3

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 u c При подключении к источнику постоянного тока цепи R-C выключателем В1 (рис. 188,а) происходит заряд конденсатора. В начальный момент зарядный ток I нач =U /R. Но по мере накопления зарядов на электродах конденсатора напряжение его и с будет возрастать, а ток уменьшаться (рис. 188,б). 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 u с и ток i постепенно уменьшаются до нуля (рис. 189,б).

Скорость изменения тока i и напряжения ис при переходном процессе отделяется постоянной времени

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. Периоды Т 1 и T 2 , соответствующие заряду и разряду конденсатора, определяются постоянными времени цепей заряда Т 3 и разряда Т р, т. е. сопротивлениями резисторов, включенных в эти цепи.

Электрический конденсатор - это устройство, которое может накапливать заряд и энергию электрического поля. В основном он состоит из пары проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика. Толщина диэлектрика всегда намного меньше, чем размер обкладок. На электрических схемах замещения конденсатор обозначается 2-мя вертикальными параллельными отрезками (II).

Основные величины и единицы измерения

Существует несколько основных величин, определяющих конденсатор. Одна из них — это его емкость (латинская буква С), а вторая - рабочее напряжение (латинская U). Электроемкость (или же просто емкость) в системе СИ измеряется в фарадах (Ф). Причем как единица емкости 1 фарад - это очень много - на практике почти не применяется. Например, электрический заряд планеты Земля составляет всего 710 микрофарад. Поэтому в большинстве случаев из-меряется в производных от фарада величинах: в пикофарадах (пФ) при очень маленьком значении емкости (1 пФ=1/10 6 мкФ), в микрофарадах (мкФ) при достаточно большом ее значении (1 мкФ = 1/10 6 Ф). Для того чтобы рассчитать электроемкость, необходимо разделить величину заряда, накопленного между обкладками, на модуль разницы потенциалов между ними (напряжение на конденсаторе). Заряд конденсатора в данном случае - это заряд, накапливающийся на одной из обкладок рассматриваемого устройства. На 2-х проводниках устройства они одинаковы по модулю, но отличаются по знаку, поэтому сумма их всегда равняется нулю. Заряд конденсатора измеряется в кулонах (Кл), а обозначается буквой Q.

Напряжение на электроприборе

Одним из самых важных параметров рассматриваемого нами устройства является пробивное напряжение — разность значений потенциалов двух проводников конденсатора, приводящая к электрическому пробою слоя диэлектрика. Максимальное напряжение, при котором не происходит пробоя устройства, определяется формой проводников, свойствами диэлектрика и его толщиной. Условия работы, при которых напряжение на обкладках электроприбора близко к пробивному, недопустимы. Нормальное рабочее напряжение на конденсаторе меньше пробивного в несколько раз (в два-три раза). Поэтому при выборе следует обратить внимание на номинальное напряжение и емкость. В большинстве случаев значение этих величин указывается на самом устройстве или в паспорте. Включение конденсатора в сеть на напряжение, превышающее номинальное, грозит его пробоем, а отклонение значения емкости от номинального может привести к выбросу в сеть высших гармоник и перегреву устройства.

Внешний вид конденсаторов

Конструкция конденсато-ров может быть самой разнообразной. Она зависит от значения электроемкости устройства и его назначения. На параметры рассматриваемого устройства не должны влиять внешние факторы, поэтому обкладки имеют такую форму, при которой электрическое поле, созданное электрическими зарядами, сосредотачивается в небольшом зазоре между проводниками конденсатора. Поэтому они могут состоять из двух концентрических сфер, двух плоских пластин или двух коаксиальных цилиндров. Следовательно, конденсаторы могут быть цилиндрическими, сферическими и плоскими в зависимости от формы проводников.

Постоянные конденсаторы

По характеру изменения электроёмкости конденсаторы делят на устройства с постоянной, переменной ёмкостью или подстроечные. Разберем подробнее каждый из упомянутых типов. Приборы, чья ёмкость не меняется в процессе работы, то есть она является постоянной (значение емкости все-таки может колебаться в допустимых пределах в зависимости от температуры),- это постоянные конденсаторы. Существуют также электроприборы, меняющие свою электроемкость в процессе работы, они называются переменными.

От чего зависит С в конденсаторе

Электроемкость зависит от площади поверхности его проводников и расстояния между ними. Есть несколько способов изменения этих параметров. Рассмотрим конденсатор, который состоит из двух видов пластин: подвижных и неподвижных. Подвижные пластины перемещаются относительно неподвижных, в результате чего изменяется электроемкость конденсатора. Переменные аналоги используются для настроек аналоговых устройств. Причем емкость можно изменять в процессе работы. Подстроечные конденсаторы в большинстве случаев используют для настройки заводской аппаратуры, например для подбора емкости эмпирическим путем при невозможности расчета.

Конденсатор в цепи

Рассматриваемый прибор в цепи постоянного тока проводит ток только в момент включения его в сеть (при этом происходит заряд или перезаряд устройства до напряжения источника). Как только конденсатор полностью заряжается, ток через него не идет. При включении устройства в цепь с переменным током процессы разрядки и зарядки его чередуются друг с другом. Период их чередования равен приложенного синусоидального напряжения.

Характеристики конденсаторов

Конденсатор в зависимости от состояния электролита и материала, из которого он состоит, может быть сухим, жидкостным, оксидно-полупроводниковым, оксидно-металлическим. Жидкостные конденсаторы хорошо охлаждаются, эти устройства могут работать при значительных нагрузках и обладают таким важным свойством, как самовосстановление диэлектрика при пробое. У рассматриваемых электрических устройств сухого типа достаточно простая конструкция, немного меньше потери напряжения и ток утечки. На данный момент именно сухие приборы пользуются наибольшей популярностью. Основным достоинством электролитных конденсаторов являются дешевизна, компактные габариты и большая электроемкость. Оксидные аналоги - полярные (неверное подключение приводит к пробою).

Как подключается

Подключение конденсатора в цепь с постоянным током происходит следующим образом: плюс (анод) источника тока соединяется с электродом, который покрыт окисной пленкой. В случае несоблюдения этого требования может произойти Именно по этой причине жидкостные конденсаторы нужно подключать в цепь с переменным источником тока, соединяя встречно последовательно две одинаковые секции. Или нанести оксидный слой на оба электрода. Таким образом, получается неполярный электроприбор, работающий в сетях как с постоянным, так и с Но и в том и в другом случаях результирующая емкость становится в два раза меньше. Униполярные электрические конденсаторы обладают значительными размерами, зато могут включаться в цепи с переменным током.

Основное применение конденсаторов

Слово «конденсатор» можно услышать от работников различных промышленных предприятий и проектных институтов. Разобравшись с принципом работы, характеристиками и физическими процессами, выясним, зачем нужны конденсаторы, например, в системах энергоснабжения? В этих системах батареи широко применяют при строительстве и реконструкции на промышленных предприятиях для компенсации реактивной мощности КРМ (разгрузки сети от нежелательных ее перетоков), что позволяет уменьшить расходы на электроэнергию, сэкономить на кабельной продукции и доставить потребителю электроэнергию лучшего качества. Оптимальный выбор мощности, способа и места подключения источников (Q) в сетях электроэнергетических систем (ЭЭС) оказывает существенное влияние на экономические и технические показатели эффективности работы ЭЭС. Существуют два типа КРМ: поперечная и продольная. При поперечной компенсации батареи конденсаторов подключаются на шины подстанции параллельно нагрузке и называются шунтовыми (ШБК). При продольной компенсации батареи включают в рассечку ЛЭП и называют УПК (устройства продольной компенсации). Батареи состоят из отдельных приборов, которые могут соединяться различными способами: конденсаторы последовательного подключения или параллельного. При увеличении количества последовательно включенных устройств увеличивается напряжение. УПК также используются для выравнивания нагрузок по фазам, повышения производительности и эффективности дуговых и рудотермических печей (при включении УПК через специальные трансформаторы).

В бардачке каждого автолюбителя можно найти пару-тройку этих электроприборов. Зачем нужны конденсаторы в автомобиле? Там они используются в усиливающей аппаратуре акустических систем для качественного воспроизведения звука.

Конденсатор, видимо, есть самый первый прибор, с помощью которого научились достаточно долго удерживать электрические заряды в одном месте.

Если зарядить какой-нибудь диэлектрик трением, например, ту же классическую расческу, потерев ее шерстью, то заряд на ее поверхности останется на некоторое время. Однако ни накопить его, ни как-то использовать не удастся: кроме пары-тройки фокусов с притягиванием к расческе всякого мусора, ничего не выйдет. Металл же зарядить трением вообще невозможно. Все заряды, которые были бы как-то им приняты, на поверхности не удерживаются, а разбегаются сразу по всей массе применяемого металла. Или сбегают с него, благодаря большой площади контакта с воздухом, всегда содержащим влагу, что делает задачу невозможной.

Удалось придумать накопление электричества благодаря свойству притяжения друг к другу зарядов разного знака. Если два листочка из фольги прижать друг к другу, проложив между ними тонкий слой хорошего диэлектрика, то такой сэндвич можно зарядить, прикоснувшись телами, содержащими заряды разного знака, к разным листочкам фольги. Заряды разного знака притягиваются друг к другу и обязательно побегут в фольге навстречу друг другу. Они бы и разрядились, не будь между слоями фольги диэлектрика. И заряды только растекутся каждый по своему листу фольги и, притягиваясь друг к другу, будут находиться в ней достаточно долго.

Вот это и называется конденсатор. Чем больше площадь фольги - тем больше емкость. Чтобы добиться большой площади, фольгу с изолятором сворачивают рулоном - две ленты фольги и две ленты бумаги - и помещают в банку, выводя наружу от каждой ленты по контакту. Снаружи банка запаивается, чтобы предотвратить поступление влаги внутрь. Вездесущая влага же и является причиной, по которой бумажную ленту пропитывают парафином.

а) устройство, б) внешний вид

1 – фольговые обкладки, 2 – внутренние выводы обкладок,
3 – парафинированная бумага, 4 – металлический корпус, 5 – провод

На рисунке изображено, как устроен простейший фольговый автомобильный конденсатор. У него один контакт выведен от одной обкладки наружу проводом, а другим является металлический корпус, внутри присоединенный ко второй обкладке.

Работа конденсатора в электрической цепи

Уже давно мы отошли от понимания электричества в терминах движения, действия зарядов и так далее. Теперь мы мыслим понятиями электрических цепей, где обычными вещами являются напряжения, токи, мощность. И к рассмотрению поведения зарядов прибегаем только, чтобы понять, как работает в цепи какое-нибудь устройство.

Например, конденсатор в простейшей цепи постоянного электрического тока является просто разрывом. Обкладки ведь не соприкасаются друг с другом. Поэтому, чтобы понять принцип действия конденсатора в цепи, придется все-таки вернуться к поведению зарядов.

Зарядка конденсатора

Соберем простую электрическую цепь, состоящую из аккумулятора, конденсатора, резистора и переключателя.

ε c – ЭДС аккумулятора, C – конденсатор, R – резистор, K – переключатель

Когда переключатель никуда не включен, тока в цепи нет. Если подключить его к контакту 1, то напряжение с аккумулятора попадет на конденсатор. Конденсатор начнет заряжаться настолько, насколько хватит его емкости. В цепи потечет ток заряда, который сначала будет довольно большим, а по мере зарядки конденсатора будет уменьшаться, пока совсем не сойдет на нуль.

Конденсатор при этом приобретет заряд такого же знака, как и сам аккумулятор. Разомкнув теперь переключатель К, получим разорванную цепь, но в ней стало два источник энергии: аккумулятор и конденсатор.

Разрядка конденсатора

Если теперь перевести переключатель в положение 2, то заряд, накопленный на обкладках конденсатора, начнет разряжаться через сопротивление R.

Причем, сначала, при максимальном напряжении, и ток будет максимальным, величину которого можно вычислить, зная напряжение на конденсаторе, по закону Ома. Ток будет течь, то есть конденсатор будет разряжаться, а напряжение его падать. Соответственно и ток будет все меньше и меньше. И когда в конденсаторе заряда совсем не останется, ток прекратится.

У ситуации, описанной в этих двух случаях, есть интересные особенности:

Электрическая батарея постоянного напряжения, работая в цепи с конденсатором, дает, тем не менее, переменный ток: при зарядке он изменяется от максимального значения до 0.
Конденсатор, имея некоторый заряд, при разряжении через резистор, даст тоже переменный ток, изменяющийся от максимального значения до 0.
В обоих случаях после непродолжительного действия ток прекращается. Конденсатор в обоих случаях после этого демонстрирует разрыв в цепи - ток больше не течет.

Описанные процессы называются переходными. Они имеют место в электрических цепях с постоянным напряжением питания, когда в них установлены реактивные элементы. После прохождения переходных процессов реактивные элементы перестают влиять на режимы токов и напряжений в электрической цепи. Время, в течение которого переходный процесс завершается, зависит как от емкости конденсатора C, так и от активного сопротивления нагрузки R. Очевидно, что чем они больше, тем больше нужен и интервал времени, пока переходный процесс не завершится.

Параметр, характеризующий время переходного процесса, называется «постоянной времени» для данной схемы, обозначается греческой буквой «тау»:

Произведение сопротивления в омах на емкость в фарадах, если рассмотреть внимательно эти единицы измерения, действительно дает величину в секундах.

Однако переходный процесс разрядки конденсатора - это процесс плавный. То есть, грубо говоря, он не заканчивается никогда.

U c – напряжение на конденсаторе (вольт), U 0 – первоначальное напряжение заряженного конденсатора, t – время (сек)

На рисунке видно, что конденсатор будет разряжаться «всегда», так как чем меньше на нем остается зарядов, тем меньший ток будет бежать по цепи, следовательно, тем медленнее будет идти процесс разрядки. Процесс экспоненциальный. По времени отложены значения в секундах величин, кратных постоянной времени. С некоторых значений можно считать процесс практически законченным, например, при 5t, когда напряжения на конденсаторе осталось порядка 0,7%.

Режим, когда переходный процесс завершен, называется стационарным, или режимом постоянного тока.

Принцип работы на переменном напряжении

Так же, как в механике масса обладает свойством инерции, в электричестве заряд в конденсаторе тоже проявляет инерционность. Действительно, при любых электрических процессах он начинает подзаряжаться (если напряжение на его контактах имеет такую же полярность, как и заряд в нем) или разряжаться (если полярность противоположная). Это влияет на картину токов в цепи, а на синусоидальном токе проявляется как сдвиг фазы между напряжением и током.

Фактически в цепи переменного тока непрерывно происходит переходный процесс.

Переменное напряжение U то подзаряжает, то разряжает конденсатор, в результате этого в нем течет ток I, сдвинутый по времени на 90° от периода колебаний напряжения.

Считается, что конденсатор пропускает переменный ток, причем введен параметр «кажущееся сопротивление конденсатора». Он зависит от емкости конденсатора С и от частоты переменного напряжения ω.

Это реактивное сопротивление, которое используется в расчетах цепей, содержащих инерционные, реактивные компоненты. То есть везде, где применяются конденсаторы и катушки индуктивности.

Назначение компонента

Из рассмотренных свойств ясно, что нужны конденсаторы не как источники электрического питания, а именно как реактивные элементы схем, чтобы создавать определенные режимы переменного/импульсного тока.

Используются конденсаторы настолько многообразно, что здесь, на уровне «конденсатор для чайников», можно перечислить только бегло их применение:

В выпрямителях служат для сглаживания пульсаций тока.
В фильтрах (совместно с резисторами и/или индуктивностями) выступают в роли частотно зависимого элемента для выделения или гашения определенной полосы частот.
В колебательных контурах используется конденсатор, работающий при генерации синусоидального напряжения.
Несут функцию накопителя в устройствах, где нужно обеспечить мгновенное выделение большой энергии в виде импульса - например, в фотовспышках, лазерах и т.д.
Используются в схемах точного управления временными событиями с использованием простейших по строению RC-цепей - реле времени, генераторы одиночных импульсов и т.д.
Фазосдвигающий конденсатор применяется в схемах питания синхронных и асинхронных, а также однофазных и трехфазных двигателей переменного тока.

Кроме собственно прибора «конденсатор», вполне успешно используются в технике явления, в основе которых лежит электрическая емкость.

Уровень можно измерить, используя факт того, что жидкость, поднимаясь в датчике между проводниками, играющими роль обкладок, меняет диэлектрическую проницаемость среды, а, следовательно, и емкость прибора, что он и показывает как изменение уровня.

Аналогично этому, сверхмалые толщины можно измерять, меняя расстояние между двумя проводниками-обкладками или их эффективную площадь.

Во всех радиотехнических и электронных устройствах кроме транзисторов и микросхем применяются конденсаторы. В одних схемах их больше, в других меньше, но совсем без конденсаторов не бывает практически ни одной электронной схемы.

При этом конденсаторы могут выполнять в устройствах самые разные задачи. Прежде всего, это емкости в фильтрах выпрямителей и стабилизаторов. С помощью конденсаторов передается сигнал между усилительными каскадами, строятся фильтры низких и высоких частот, задаются временные интервалы в выдержках времени и подбирается частота колебаний в различных генераторах.

Свою родословную конденсаторы ведут от , которую в середине XVIII века в своих опытах использовал голландский ученый Питер ван Мушенбрук. Жил он в городе Лейдене, так что нетрудно догадаться, почему так называлась эта банка.

Собственно это и была обыкновенная стеклянная банка, выложенная внутри и снаружи оловянной фольгой - станиолем. Использовалась она в тех же целях, как и современная алюминиевая, но тогда алюминий открыт еще не был.

Единственным источником электричества в те времена была электрофорная машина, способная развивать напряжение до нескольких сотен киловольт. Вот от нее и заряжали лейденскую банку. В учебниках физики описан случай, когда Мушенбрук разрядил свою банку через цепь из десяти гвардейцев взявшихся за руки.

В то время никто не знал, что последствия могут быть трагическими. Удар получился достаточно чувствительным, но не смертельным. До этого не дошло, ведь емкость лейденской банки была незначительной, импульс получился очень кратковременным, поэтому мощность разряда была невелика.

Как устроен конденсатор

Устройство конденсатора практически ничем не отличается от лейденской банки: все те же две обкладки, разделенные диэлектриком. Именно так на современных электрических схемах изображаются конденсаторы. На рисунке 1 показано схематичное устройство плоского конденсатора и формула для его расчета.

Рисунок 1. Устройство плоского конденсатора

Здесь S - площадь пластин в квадратных метрах, d - расстояние между пластинами в метрах, C - емкость в фарадах, ε - диэлектрическая проницаемость среды. Все величины, входящие в формулу, указаны в системе СИ. Эта формула справедлива для простейшего плоского конденсатора: можно просто расположить рядом две металлические пластины, от которых сделаны выводы. Диэлектриком может служить воздух.

Из этой формулы можно понять, что емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь пластин и чем меньше расстояние между ними. Для конденсаторов с другой геометрией формула может быть иной, например, для емкости одиночного проводника или . Но зависимость емкости от площади пластин и расстояния между ними та же, что и у плоского конденсатора: чем больше площадь и чем меньше расстояние, тем больше емкость.

На самом деле пластины не всегда делаются плоскими. У многих конденсаторов, например металлобумажных, обкладки представляют собой алюминиевую фольгу свернутую вместе с бумажным диэлектриком в плотный клубок, по форме металлического корпуса.

Для увеличения электрической прочности тонкая конденсаторная бумага пропитывается изолирующими составами, чаще всего трансформаторным маслом. Такая конструкция позволяет делать конденсаторы с емкостью до нескольких сотен микрофарад. Примерно так же устроены конденсаторы и с другими диэлектриками.

Формула не содержит никаких ограничений на площадь пластин S и расстояние между пластинами d. Если предположить, что пластины можно развести очень далеко, и при этом площадь пластин сделать совсем незначительной, то какая-то емкость, пусть небольшая, все равно останется. Подобное рассуждение говорит о том, что даже просто два проводника, расположенные по соседству, обладают электрической емкостью.

Этим обстоятельством широко пользуются в высокочастотной технике: в некоторых случаях конденсаторы делаются просто в виде дорожек печатного монтажа, а то и просто двух скрученных вместе проводков в полиэтиленовой изоляции. Обычный провод-лапша или кабель также обладают емкостью, причем с увеличением длины она увеличивается.

Кроме емкости C, любой кабель обладает еще и сопротивлением R. Оба этих физических свойства распределены по длине кабеля, и при передаче импульсных сигналов работают как интегрирующая RC - цепочка, показанная на рисунке 2.

Рисунок 2.

На рисунке все просто: вот схема, вот входной сигнал, а вот он же на выходе. Импульс искажается до неузнаваемости, но это сделано специально, для чего и собрана схема. Пока же речь идет о влиянии емкости кабеля на импульсный сигнал. Вместо импульса на другом конце кабеля появится вот такой «колокол», а если импульс короткий, то он может и вовсе не дойти до другого конца кабеля, вовсе пропасть.

Исторический факт

Здесь вполне уместно вспомнить историю о том, как прокладывали трансатлантический кабель. Первая попытка в 1857 году потерпела неудачу: телеграфные точки - тире (прямоугольные импульсы) искажались так, что на другом конце линии длиной 4000 км разобрать ничего не удалось.

Вторая попытка была предпринята в 1865 году. К этому времени английский физик У. Томпсон разработал теорию передачи данных по длинным линиям. В свете этой теории прокладка кабеля оказалась более удачной, сигналы принять удалось.

За этот научный подвиг королева Виктория пожаловала ученого рыцарством и титулом лорда Кельвина. Именно так назывался небольшой город на побережье Ирландии, где начиналась прокладка кабеля. Но это просто к слову, а теперь вернемся к последней букве в формуле, а именно, к диэлектрической проницаемости среды ε.

Немножко о диэлектриках

Эта ε стоит в знаменателе формулы, следовательно, ее увеличение повлечет за собой возрастание емкости. Для большинства используемых диэлектриков, таких как воздух, лавсан, полиэтилен, фторопласт эта константа практически такая же, как у вакуума. Но вместе с тем существует много веществ, диэлектрическая проницаемость которых намного выше. Если воздушный конденсатор залить ацетоном или спиртом, то его емкость возрастет раз в 15…20.

Но подобные вещества обладают кроме высокой ε еще и достаточно высокой проводимостью, поэтому такой конденсатор заряд держать будет плохо, он быстро разрядится сам через себя. Это вредное явление называется током утечки. Поэтому для диэлектриков разрабатываются специальные материалы, которые позволяют при высокой удельной емкости конденсаторов обеспечивать приемлемые токи утечки. Именно этим и объясняется такое разнообразие видов и типов конденсаторов, каждый из которых предназначен для конкретных условий.

Наибольшей удельной емкостью (соотношение емкость / объем) обладают . Емкость «электролитов» достигает до 100 000 мкФ, рабочее напряжение до 600В. Такие конденсаторы работают хорошо только на низких частотах, чаще всего в фильтрах источников питания. Электролитические конденсаторы включаются с соблюдением полярности.

Электродами в таких конденсаторах является тонкая пленка из оксида металлов, поэтому часто эти конденсаторы называют оксидными. Тонкий слой воздуха между такими электродами не очень надежный изолятор, поэтому между оксидными обкладками вводится слой электролита. Чаще всего это концентрированные растворы кислот или щелочей.

На рисунке 3 показан один из таких конденсаторов.

Рисунок 3. Электролитический конденсатор

Чтобы оценить размеры конденсатора рядом с ним сфотографировался простой спичечный коробок. Кроме достаточно большой емкости на рисунке можно разглядеть еще и допуск в процентах: ни много ни мало 70% от номинальной.

В те времена, когда компьютеры были большими и назывались ЭВМ, такие конденсаторы стояли в дисководах (по-современному HDD). Информационная емкость таких накопителей теперь может вызвать лишь улыбку: на двух дисках диаметром 350 мм хранилось 5 мегабайт информации, а само устройство весило 54 кг.

Основным назначением показанных на рисунке суперконденсаторов был вывод магнитных головок из рабочей зоны диска при внезапном отключении электроэнергии. Такие конденсаторы могли хранить заряд несколько лет, что было проверено на практике.

Чуть ниже с электролитическими конденсаторами будет предложено проделать несколько простых опытов, чтобы понять, что может делать конденсатор.

Для работы в цепях переменного тока выпускаются неполярные электролитические конденсаторы, вот только достать их почему-то очень непросто. Чтобы как-то эту проблему обойти, обычные полярные «электролиты» включают встречно-последовательно: плюс-минус-минус-плюс.

Если полярный электролитический конденсатор включить в цепь переменного тока, то сначала он будет греться, а потом раздастся взрыв. Отечественные старые конденсаторы разлетались во все стороны, импортные же имеют специальное приспособление, позволяющее избежать громких выстрелов. Это, как правило, либо крестовая насечка на донышке конденсатора, либо отверстие с резиновой пробкой, расположенное там же.

Очень не любят электролитические конденсаторы повышенного напряжения, даже если полярность соблюдена. Поэтому никогда не надо ставить «электролиты» в цепь, где предвидится напряжение близкое к максимальному для данного конденсатора.

Иногда в некоторых, даже солидных форумах, начинающие задают вопрос: «На схеме означен конденсатор 470µF * 16V, а у меня есть 470µF * 50V, можно ли его поставить?». Да, конечно можно, вот обратная замена недопустима.

Конденсатор может накапливать энергию

Разобраться с этим утверждением поможет простая схема, показанная на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема с конденсатором

Главным действующим лицом этой схемы является электролитический конденсатор C достаточно большой емкости, чтобы процессы заряда - разряда протекали медленно, и даже очень наглядно. Это дает возможность наблюдать работу схемы визуально с помощью обычной лампочки от карманного фонаря. Фонари эти давно уступили место современным светодиодным, но лампочки для них продаются до сих пор. Поэтому, собрать схему и провести простые опыты очень даже просто.

Может быть, кто-то скажет: «А зачем? Ведь и так все очевидно, да если еще и описание почитать…». Возразить тут, вроде, нечего, но любая, даже самая простая вещь остается в голове надолго, если ее понимание пришло через руки.

Итак, схема собрана. Как она работает?

В положении переключателя SA, показанном на схеме, конденсатор C заряжается от источника питания GB через резистор R по цепи: +GB __ R __ SA __ C __ -GB. Зарядный ток на схеме показан стрелкой с индексом iз. Процесс заряда конденсатора показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Процесс заряда конденсатора

На рисунке видно, что напряжение на конденсаторе возрастает по кривой линии, в математике называемой экспонентой. Ток заряда прямо-таки зеркально отражает напряжение заряда. По мере того, как напряжение на конденсаторе растет, ток заряда становится все меньше. И только в начальный момент соответствует формуле, показанной на рисунке.

Через некоторое время конденсатор зарядится от 0В до напряжения источника питания, в нашей схеме до 4,5В. Весь вопрос в том, как это время определить, сколько ждать, когда же конденсатор зарядится?

Постоянная времени «тау» τ = R*C

В этой формуле просто перемножаются сопротивление и емкость последовательно соединенных резистора и конденсатора. Если, не пренебрегая системой СИ, подставить сопротивление в Омах, емкость в Фарадах, то результат получится в секундах. Именно это время необходимо для того, чтобы конденсатор зарядился до 36,8% напряжения источника питания. Соответственно для заряда практически до 100% потребуется время 5* τ.

Часто, пренебрегая системой СИ, подставляют в формулу сопротивление в Омах, а емкость в микрофарадах, тогда время получится в микросекундах. В нашем случае результат удобнее получить в секундах, для чего придется микросекунды просто умножить на миллион, а проще говоря, переместить запятую на шесть знаков влево.

Для схемы, показанной на рисунке 4, при емкости конденсатора 2000мкФ и сопротивлении резистора 500Ω постоянная времени получится τ = R*C = 500 * 2000 = 1000000 микросекунд или ровно одна секунда. Таким образом, придется подождать приблизительно 5 секунд, пока конденсатор зарядится полностью.

Если по истечении указанного времени переключатель SA перевести в правое положение, то конденсатор C разрядится через лампочку EL. В этот момент получится короткая вспышка, конденсатор разрядится и лампочка погаснет. Направление разряда конденсатора показано стрелкой с индексом iр. Время разряда также определяется постоянной времени τ. График разряда показан на рисунке 6.

Рисунок 6. График разряда конденсатора

Конденсатор не пропускает постоянный ток

Убедиться в этом утверждении поможет еще более простая схема, показанная на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема с конденсатором в цепи постоянного тока

Если замкнуть переключатель SA, то последует кратковременная вспышка лампочки, что свидетельствует о том, что конденсатор C зарядился через лампочку. Здесь же показан и график заряда: в момент замыкания переключателя ток максимальный, по мере заряда конденсатора уменьшается, а через некоторое время прекращается совсем.

Если конденсатор хорошего качества, т.е. с малым током утечки (саморазряда) повторное замыкание выключателя к вспышке не приведет. Для получения еще одной вспышки конденсатор придется разрядить.

Конденсатор в фильтрах питания

Конденсатор ставится, как правило, после выпрямителя. Чаще всего выпрямители делаются двухполупериодными. Наиболее распространенные схемы выпрямителей показаны на рисунке 8.

Рисунок 8. Схемы выпрямителей

Однополупериодные выпрямители также применяются достаточно часто, как правило, в тех случаях, когда мощность нагрузки незначительна. Самым ценным качеством таких выпрямителей является простота: всего один диод и обмотка трансформатора.

Для двухполупериодного выпрямителя емкость конденсатора фильтра можно рассчитать по формуле

C = 1000000 * Po / 2*U*f*dU, где C емкость конденсатора мкФ, Po мощность нагрузки Вт, U напряжение на выходе выпрямителя В, f частота переменного напряжения Гц, dU амплитуда пульсаций В.

Большое число в числителе 1000000 переводит емкость конденсатора из системных Фарад в микрофарады. Двойка в знаменателе представляет собой число полупериодов выпрямителя: для однополупериодного на ее месте появится единица

C = 1000000 * Po / U*f*dU,

а для трехфазного выпрямителя формула примет вид C = 1000000 * Po / 3*U*f*dU.

Суперконденсатор - ионистор

В последнее время появился новый класс электролитических конденсаторов, так называемый . По своим свойствам он похож на аккумулятор, правда, с несколькими ограничениями.

Заряд ионистора до номинального напряжения происходит в течение короткого времени, буквально за несколько минут, поэтому его целесообразно использовать в качестве резервного источника питания. По сути ионистор прибор неполярный, единственное, чем определяется его полярность это зарядкой на заводе - изготовителе. Чтобы в дальнейшем эту полярность не перепутать она указывается знаком +.

Большую роль играют условия эксплуатации ионисторов. При температуре 70˚C при напряжении 0,8 от номинального гарантированная долговечность не более 500 часов. Если же прибор будет работать при напряжении 0,6 от номинального, а температура не превысит 40 градусов, то исправная работа возможна в течение 40 000 часов и более.

Наиболее распространенное применение ионистора это источники резервного питания. В основном это микросхемы памяти или электронные часы. В этом случае основным параметром ионистора является малый ток утечки, его саморазряд.

Достаточно перспективным является использование ионисторов совместно с солнечными батареями. Здесь также сказывается некритичность к условию заряда и практически неограниченное число циклов заряд-разряд. Еще одно ценное свойство в том, что ионистор не нуждается в обслуживании.

Пока получилось рассказать, как и где работают электролитические конденсаторы, причем, в основном в цепях постоянного тока. О работе конденсаторов в цепях переменного тока будет рассказано в другой статье - .