Что такое конденсатор и для чего он нужен

  • Определение
  • Принцип действия
  • Типы
  • Основные технические характеристики
  • Где и для чего они используются
  • Предложение

Определение

Слово конденсатор происходит от латинского «конденсато», что переводится как «накопление». В физике этот термин используется для описания целой ниши электротехнических изделий, функция которых заключается в том, чтобы действовать как устройство хранения энергии. Количество запасенной энергии зависит от емкости и квадрата напряжения на его витках, деленного на 2. При этом ток проходит через него только в процессе зарядки. Но сначала самое главное.

E = (2 д.е.) / 2

Проще говоря, конденсатор — это устройство, способное накапливать энергию в электрическом поле. В простейшем виде он состоит из двух проводников (оболочек), разделенных диэлектриком. На рисунке ниже показана упрощенная схема внешнего плоского конденсатора. Обозначения на чертеже — 2 линии высотой 8 мм, расстояние между которыми составляет 1,5 мм.

Принцип работы

Теперь, когда мы знаем, как обозначен этот элемент на схемах, нам необходимо рассмотреть принцип работы конденсатора. Когда пластины конденсатора подключены к источнику питания, электрические заряды от положительного и отрицательного выводов ИС устремляются к пластинам, накапливаясь на них.

Электрический ток прерывается после того, как конденсатор заряжается до своей номинальной емкости, потому что между выводами есть диэлектрический слой, и он не может течь непрерывно. Когда питание отключено, конденсатор будет заряжаться и, следовательно, напряжение останется на его выводах.

Нагрузки, накопленные на каждом терминале, меняются местами. Следовательно, тот, который был подключен к положительной клемме источника питания, заряжен положительно, а тот, который был подключен к отрицательной клемме, заряжен отрицательно. Принцип действия этого изделия основан на притяжении разноименных зарядов в электрическую цепь.

Проще говоря, конденсатор будет накапливать энергию, которая была передана от источника питания — это его цель. Однако на практике случаются различные потери и утечки.

Интересно. Лейденская банка — прообраз современных конденсаторов, она была создана в 1745 году. Это устройство могло накапливать энергию и производить искры при коротком замыкании его снарядов. Внешний вид и дизайн можно увидеть ниже.

А на фото ниже вы можете увидеть конструкцию простейшего плоского конденсатора — две оболочки, разделенные диэлектриком:

Поскольку емкость прямо пропорциональна площади пластин и обратно пропорциональна расстоянию между ними, инженеры разработали ряд других форм конденсаторов для увеличения емкости. Например, спиральные обмотки — так что их площадь поверхности становится во много раз больше при тех же размерах — а также цилиндрические и сферические решения.

Один из законов коммутации гласит, что напряжение на катушках конденсатора не может быстро меняться, как показано на рисунке ниже.

Конденсаторы можно классифицировать по разным критериям.

По постоянству емкости:

  • Постоянный.
  • Переменная. Их емкость может быть изменена либо вручную оператором (пользователем) устройства, либо под действием напряжения (как у варикапов и варикондов).

В зависимости от полярности подаваемого напряжения:

  • Неполяризуемые — могут работать в цепях переменного тока.
  • Полярный — не работает при подаче напряжения неправильной полярности.

В зависимости от места применения этих компонентов различают разные варианты в зависимости от материала:

  • Бумажные и металлобумажные — это известные многим распространенные в советское время прямоугольные кирпичные конденсаторы с маркировкой типа «МБГЧ». Ниже вы можете увидеть внешний вид конденсатора этого типа. Они неполярны.
  • Керамические — они часто фильтруют высокочастотные помехи, а относительная диэлектрическая проницаемость позволяет изготавливать многослойные элементы с емкостью, сопоставимой с электролитами (дорогие), они не чувствительны к поляризации.
  • Тип фольги — широко распространенный в виде подушечек коричневого цвета, недорогой,используется везде. Они характеризуются низким током утечки, малой емкостью, высоким рабочим напряжением и нечувствительностью к полярности приложенного напряжения.
  • С воздушным диэлектриком. Лучший пример такого элемента — подстроечный конденсатор резонансного контура от радиоприемника, емкость таких элементов небольшая, но менять ее удобно.
  • Электролитические элементы — это элементы бочкообразной формы, устанавливаемые в основном как линейный фильтр пульсаций в источниках питания. Конструкция и принцип действия позволяют получить большую емкость при небольших размерах, но со временем она может высохнуть, потерять емкость или разбухнуть. Ниже вы можете увидеть, как выглядят эти изделия в хорошем состоянии. В качестве диэлектрика используется тонкий слой оксида металла. Если в блоке питания используются конденсаторы от AL

    2

    ОКОЛО

    3

    — алюминиевые электролиты, танталовые конденсаторы используются в высокочастотных цепях (Ta

    2

    0

    5

    — также относятся к электролитам) конденсаторов, так как имеют меньший ток утечки, большую устойчивость к внешним воздействиям, в отличие от предыдущих алюминиевых.
  • Полимер — выдерживает высокие ударные токи, работает при низких температурах

Основные технические характеристики

Если вы ремонтируете или разрабатываете электронное устройство, вам нужно будет выбрать правильный конденсатор, чтобы заменить поврежденный. А для этого необходимо ознакомиться с основными техническими характеристиками конденсатора, от которых зависит его работоспособность в электрической цепи.

Номинальная мощность. Он характеризует основное предназначение компонента — сколько груза он может вместить. Основная характеристика измеряется в фарадах [F]. Однако эта единица измерения слишком велика, поэтому используются дроби:

  • Миллифарады, мФ — 0,001 Ф (10-3);
  • Микрофарады, мкФ — 0,000 001 Ф (10-6);
  • Нанофарады, нФ — 0,000,000,001 Ф (10-9)
  • Пикофарады, пФ — 0,000,000,000,001 F (10-12).

Номинальное напряжение — это напряжение, при котором конденсатор может гарантированно работать нормально. Если это значение превышено, высока вероятность выхода из строя диэлектрика. Оно может составлять от нескольких вольт (для электролитов) до тысяч вольт (фольга и керамика). При ремонте это значение не должно быть ниже значения поврежденного устройства, допускается более высокое!

Допуск отклонения — насколько фактическая емкость может отличаться от заявленной номинальной. Он может достигать 20-30%, но есть высокоточные модели с допуском до 1% — для приложений, где требуется особая точность.

Температурный коэффициент емкости — этот параметр важен для электролитов. В случае алюминиевых конденсаторов падение температуры снижает емкость и увеличивает электрическое сопротивление (в ESR).

ESR — эквивалентное последовательное сопротивление, также важно для электролитов. Проще говоря, чем он выше, тем хуже. Перегоревшие конденсаторы имеют более высокое ESR.

В таблице ниже вы можете увидеть допустимые значения ESR для различных номинальных мощностей и напряжений.

Где и для чего применяются

Но давайте ответим на вопрос «для чего нужен конденсатор?» с практической точки зрения. Для этого давайте рассмотрим несколько схем.

Электролитические конденсаторы чаще всего используются в качестве фильтра сетевых пульсаций в источниках питания, о чем мы уже много раз упоминали. На схеме ниже показано, где именно установлен электролит. Чем больше нагрузка, тем больше требуется емкость электролита для сглаживания пульсаций.

Еще одно место, где используются конденсаторы, — это фильтры высоких и низких частот. Типичные соединения показаны на схеме ниже. Таким образом, динамики распределяют низкие, средние и высокие частоты по всем динамикам без использования активных компонентов.

Источники питания балласта часто используются для зарядки небольших батарей и питания маломощных устройств, таких как дешевые светодиодные лампы, радиоприемники и тому подобное. Фольговый конденсатор установлен последовательно с источником питания,ограничение тока за счет его реактивного сопротивления — вот принцип работы этой простой схемы.

Демпферы — это устройства, предназначенные для защиты полупроводниковых переключателей и контактов реле от коммутации нагрузок. В современных высокочастотных импульсных источниках питания было найдено применение демпфера из резистора и конденсатора, что позволило улучшить основные параметры схемы и снизить нагрузку на ключи, а также потери мощности на ее нагрев. Принцип защелкивания заключается в замедлении нарастания и спада фронта напряжения ключа за счет использования постоянного времени зарядки конденсатора.

Заключение

Мы рассмотрели, что такое конденсатор, как он устроен и какую функцию выполняет. Для более глубокого изучения следует внимательно рассмотреть типы конденсаторов и их практические особенности в различных схемах и приложениях. Например, в приложениях, где требуется особая точность и надежность, используются электролиты с низким ESR или танталовые электролиты, в то время как в фильтре выпрямителя нет большой разницы.

Напоследок рекомендуем посмотреть полезное видео по статье:

Читайте также: