Kondensatori: mērķis, ierīce, darbības princips

Visās radio un elektroniskajās ierīcēs, izņemot tranzistorus un mikroshēmas, tiek izmantoti kondensatori. Dažās shēmās to ir vairāk, citās mazāk, bet bez kondensatoriem praktiski nav elektronisko shēmu.

Šajā gadījumā kondensatori ierīcēs var veikt dažādus uzdevumus. Pirmkārt, tie ir konteineri taisngriežu un stabilizatoru filtros. Ar kondensatoru palīdzību starp pastiprināšanas posmiem tiek pārraidīts signāls, tiek būvēti zemas un augstas frekvences filtri, iestatīti laika intervāli laika kavējumos un izvēlēta svārstību frekvence dažādos ģeneratoros.

Kondensatori ved no plkst leidenes bankaskuru 18. gadsimta vidū savos eksperimentos izmantoja holandiešu zinātnieks Pīters van Mushenbrūks. Viņš dzīvoja Leidenes pilsētā, tāpēc ir viegli uzminēt, kāpēc šī banka tika saukta.

Faktiski šī bija parasta stikla burka, kas iekšpusē un ārpusē izklāta ar alvas foliju - staniolu. Tas tika izmantots tiem pašiem mērķiem kā mūsdienu alumīnijs, bet tad alumīnijs vēl nebija atvērts.

Vienīgais elektrības avots tajos laikos bija elektrofora mašīna, kas spēja attīstīt spriegumu līdz vairākiem simtiem kilovoltu. Tieši no viņas viņi iekasēja Leidenes burku. Fizikas mācību grāmatās ir aprakstīts gadījums, kad Mušenbrūks savu degvielu izlādēja caur desmit apsargu ķēdi.

Tajā laikā neviens nezināja, ka sekas var būt traģiskas. Trieciens izrādījās diezgan jūtīgs, bet ne letāls. Tā tas nenāca, jo Leyden burkas ietilpība bija nenozīmīga, impulss izrādījās ļoti īslaicīgs, tāpēc izlādes jauda bija maza.

Kā ir kondensators

Kondensatora ierīce praktiski neatšķiras no Leyden burka: visas tās pašas divas plāksnes, atdalītas ar dielektriku. Tas ir kā kondensatori tiek attēloti uz modernām elektriskajām ķēdēm. 1. attēlā parādīta plakanā kondensatora shematiska struktūra un aprēķina formula.

1. attēls. Plakana kondensatora ierīce

Šeit S ir plāksnes laukums kvadrātmetros, d ir attālums starp plāksnēm metros, C ir kapacitāte fāzēs, ε ir barotnes dielektriskā konstante. Visas sistēmā iekļautās vērtības ir norādītas SI sistēmā. Šī formula ir derīga vienkāršākajam plakanam kondensatoram: blakus tiem varat vienkārši novietot divas metāla plāksnes, no kurām tiek izdarīti secinājumi. Gaiss var kalpot par dielektriku.

No šīs formulas var saprast, ka kondensators ir lielāks, jo lielāks ir plākšņu laukums un mazāks attālums starp tiem. Kondensatoriem ar atšķirīgu ģeometriju formula var būt atšķirīga, piemēram, viena vadītāja kapacitātei vai elektriskais kabelis. Bet kapacitātes atkarība no plākšņu laukuma un attāluma starp tām ir tāda pati kā plakanam kondensatoram: jo lielāks laukums un jo mazāks attālums, jo lielāka ir kapacitāte.

Faktiski plāksnes ne vienmēr tiek izgatavotas līdzenas. Daudziem, piemēram, metāla kondensatoriem, plātnes ir alumīnija folija, kas metāla apvalka formā saspiesta kopā ar papīra dielektriķi stingrā bumbiņā.

Lai palielinātu elektrisko stiprību, plāns kondensatora papīrs ir piesūcināts ar izolācijas kompozīcijām, visbiežāk transformatora eļļu. Šis dizains ļauj jums izgatavot kondensatorus ar ietilpību līdz vairākiem simtiem mikrofaradu. Kondensatori ar citiem dielektriķiem ir izvietoti līdzīgi.

Formulā nav ierobežojumu attiecībā uz plākšņu S laukumu un attālumu starp plāksnēm d.Ja mēs pieņemam, ka plāksnes var izkliedēt ļoti tālu, un tajā pašā laikā padarīt plākšņu laukumu ļoti mazu, tad zināma ietilpība, kaut arī maza, joprojām saglabāsies. Šis pamatojums liek domāt, ka pat diviem kaimiņos esošiem vadītājiem ir elektriskā kapacitāte.

Šis apstāklis ​​tiek plaši izmantots augstfrekvences tehnoloģijā: dažos gadījumos kondensatori tiek izgatavoti vienkārši iespiedshēmas veidā vai pat tikai divi vadi, kas savīti kopā polietilēna izolācijā. Arī parastajām stiepļu nūdelēm vai kabelim ir ietilpība, un, palielinoties garumam, tas palielinās.

Papildus kapacitātei C jebkuram kabelim ir arī pretestība R. Abas šīs fizikālās īpašības ir sadalītas visā kabeļa garumā, un, pārraidot impulsa signālus, tās darbojas kā integrējoša RC shēma, kā parādīts 2. attēlā.

2. attēls

Attēlā viss ir vienkārši: šeit ir ķēde, šeit ir ieejas signāls, bet šeit tas ir pie izejas. Impulss tiek sagrozīts līdz nepazīšanai, bet tas tiek darīts ar nolūku, kuram ķēde ir samontēta. Pa to laiku mēs runājam par kabeļa kapacitātes ietekmi uz impulsa signālu. Impulsa vietā šāds “zvans” parādīsies otrā kabeļa galā, un, ja impulss ir īss, iespējams, tas vispār nenonāk kabeļa otrā galā, tas ir pilnībā pagājis.

Vēsturisks fakts

Šeit ir diezgan pareizi atgādināt stāstu par to, kā tika uzlikts transatlantiskais kabelis. Pirmais mēģinājums 1857. gadā neizdevās: telegrāfa punkti - domuzīmes (taisnstūrveida impulsi) tika izkropļoti, lai 4000 km līnijas otrajā galā neko nevarētu izjaukt.

Otrs mēģinājums tika veikts 1865. gadā. Līdz tam laikam angļu fiziķis W. Thompsons bija izstrādājis teoriju par datu pārraidi garām līnijām. Ņemot vērā šo teoriju, kabeļa maršrutēšana izrādījās veiksmīgāka, un mēs varējām saņemt signālus.

Par šo zinātnisko varoņdarbu karaliene Viktorija zinātniekam piešķīra bruņinieku bruņiniekus un lorda Kelvina titulu. Tā tika nosaukta mazā pilsēta Īrijas piekrastē, kur sākās kabeļu likšana. Bet tas ir tikai vārds, un tagad mēs atgriežamies pie pēdējā burta formulā, proti, pie barotnes dielektriskās konstantes ε.

Nedaudz par dielektriku

Šis ε ir formulas saucējā, tāpēc tā palielināšanās nozīmē jaudas palielināšanos. Lielākajai daļai izmantoto dielektriķu, piemēram, gaisam, lavsanam, polietilēnam, fluoroplastiskam, šī konstante ir gandrīz tāda pati kā vakuumā. Bet tajā pašā laikā ir daudz vielu, kuru dielektriskā konstante ir daudz augstāka. Ja gaisa kondensatoru piepilda ar acetonu vai spirtu, tad tā jauda palielināsies ik pēc 15 ... 20.

Bet šādām vielām papildus lielai ε ir arī pietiekami augsta vadītspēja, tāpēc šādam kondensatoram nebūs laba lādiņa, tas ātri izlādēsies pats par sevi. Šo kaitīgo parādību sauc par noplūdes strāvu. Tāpēc dielektriķiem tiek izstrādāti īpaši materiāli, kas ar lielu kondensatoru īpatnējo kapacitāti nodrošina pieņemamas noplūdes strāvas. Tas izskaidro kondensatoru veidu un veidu daudzveidību, no kuriem katrs ir paredzēts īpašiem apstākļiem.

Elektrolītiskais kondensators

Lielākā īpatnējā jauda (jaudas / tilpuma attiecība) elektrolītiskie kondensatori. "Elektrolītu" ietilpība sasniedz līdz 100 000 mikrofaradu, bet darba spriegums - līdz 600 V. Šādi kondensatori labi darbojas tikai zemās frekvencēs, visbiežāk barošanas avotu filtros. Elektrolītiskie kondensatori tiek ieslēgti polaritātē.

Elektrodi šādos kondensatoros ir plāna metāla oksīda plēve, tāpēc šos kondensatorus bieži sauc par oksīdiem. Plāns gaisa slānis starp šādiem elektrodiem nav īpaši uzticams izolators, tāpēc starp oksīda plāksnēm tiek ieviests elektrolīta slānis. Visbiežāk tie ir koncentrēti skābju vai sārmu šķīdumi.

3. attēlā parādīts viens no šiem kondensatoriem.

3. attēls. Elektrolītiskais kondensators

Lai novērtētu kondensatora izmēru, blakus tam tika nofotografēta vienkārša sērkociņu kaste. Papildus pietiekami lielai ietilpībai attēlā, jūs varat redzēt arī procentuālo pielaidi: ne mazāk kā 70% no nominālās.

Tajos laikos, kad datori bija lieli un tos sauca par datoriem, šādi kondensatori atradās diskdziņos (mūsdienu HDD). Šādu diskdziņu informācijas ietilpība tagad var izraisīt tikai smaidu: uz diviem diskiem ar diametru 350 mm tika saglabāti 5 megabaiti informācijas, un pati ierīce svēra 54 kg.

Attēlā parādīto superkondensatoru galvenais mērķis bija magnētisko galvu izņemšana no diska darba zonas pēkšņas strāvas padeves pārtraukuma laikā. Šādi kondensatori vairākus gadus varēja uzglabāt lādiņu, kas tika pārbaudīts praksē.

Nedaudz zemāk ar elektrolītiskajiem kondensatoriem tiks piedāvāts veikt dažus vienkāršus eksperimentus, lai saprastu, ko var veikt kondensators.

Lai strādātu maiņstrāvas ķēdēs, tiek ražoti nepolārie elektrolītiskie kondensatori, tas ir tikai grūti, lai kādu iemeslu dēļ tos iegūtu. Lai kaut kā izvairītos no šīs problēmas, parastie polārie "elektrolīti" ietver konsekvenci: plus-mīnus-mīnus-plus.

Ja maiņstrāvas ķēdē ir iekļauts polārais elektrolītiskais kondensators, tad vispirms tas sakarst, un pēc tam dzirdams sprādziens. Vietējie vecie kondensatori ir izkliedēti visos virzienos, savukārt importētajiem ir īpaša ierīce, kas ļauj izvairīties no skaļiem šāvieniem. Parasti tas ir vai nu šķērsgriezums kondensatora apakšā, vai caurums ar gumijas aizbāzni, kas atrodas tajā pašā vietā.

Viņiem nepatīk paaugstināta sprieguma elektrolītiskie kondensatori, pat ja tiek novērota polaritāte. Tāpēc nekādā gadījumā nelieciet "elektrolītus" ķēdē, kur dotajam kondensatoram ir paredzēts spriegums, kas ir tuvu maksimālajam.

Dažreiz dažos, pat cienījamos forumos iesācēji uzdod jautājumu: “Diagrammā ir norādīts kondensators 470µF * 16V, un man ir 470μF * 50 V, vai es varu to ievietot?” Jā, protams, jūs varat, bet apgrieztā nomaiņa nav pieņemama.

Kondensators var uzglabāt enerģiju

Lai apstrādātu šo paziņojumu, palīdzēs vienkārša diagramma, kas parādīta 4. attēlā.

4. attēls. Ķēde ar kondensatoru

Šīs shēmas galvenais varonis ir pietiekami lielas jaudas elektrolītiskais kondensators C, lai lādēšanas un izlādes procesi noritētu lēni un pat ļoti skaidri. Tas ļauj vizuāli novērot ķēdes darbību, izmantojot parasto lukturīti no gaismas. Šie lukturi jau sen ir devuši ceļu uz mūsdienu LED, bet spuldzes tiem joprojām tiek pārdoti. Tāpēc ir ļoti viegli salikt ķēdi un veikt vienkāršus eksperimentus.

Varbūt kāds teiks: “Kāpēc? Galu galā viss ir acīmredzams, un pat ja jūs izlasītu aprakstu ... ” Liekas, ka šeit nav par ko strīdēties, bet jebkura, pat vienkāršākā lieta, ilgi paliek galvā, ja tā izpratne nāktu caur rokām.

Tātad, ķēde ir samontēta. Kā viņa strādā?

Slēdža SA pozīcijā, kas parādīta diagrammā, kondensators C tiek uzlādēts no strāvas avota GB caur ķēdes rezistoru R: + GB __ R __ SA __ C __-GB. Uzlādes strāva diagrammā ir parādīta ar bultiņu ar indeksu iз. Kondensatora uzlādes process ir parādīts 5. attēlā.

5. attēls. Kondensatora uzlādes process

Attēlā parādīts, ka kondensatora spriegums palielinās pa līkni, matemātikā to sauc par eksponentu. Uzlādes strāva tieši atspoguļo uzlādes spriegumu. Pieaugot spriegumam visā kondensatorā, lādēšanas strāva kļūst arvien mazāka. Un tikai sākotnējā brīdī atbilst formulai, kas parādīta attēlā.

Pēc kāda laika kondensators tiks uzlādēts no 0 V līdz barošanas avota spriegumam, mūsu ķēdē līdz 4.5 V. Viss jautājums ir, kā ir pienācis laiks noteikt, cik ilgi jāgaida, kad kondensators uzlādēsies?

Tau laika konstante τ = R * C

Šajā formulā sērijveidā savienotā rezistora un kondensatora pretestība un kapacitāte tiek vienkārši reizināta.Ja, neatstājot novārtā SI sistēmu, aizstāt pretestību omos, kapacitāti Faradā, tad rezultāts būs sekundēs. Tas ir vajadzīgs laiks, lai kondensators uzlādētu līdz 36,8% no enerģijas avota sprieguma. Attiecīgi, lai uzlādētu gandrīz 100%, būs nepieciešams laiks 5 * τ.

Bieži vien, atstājot novārtā SI sistēmu, pretestība Ohm tiek aizstāta ar formulu, un kapacitāte ir mikrolādēs, tad laiks izrādīsies mikrosekundēs. Mūsu gadījumā ir ērtāk iegūt rezultātu sekundēs, kurām jums vienkārši jāpareizina mikrosekundi ar miljonu vai, vienkāršāk sakot, jāpārvieto komats sešas rakstzīmes pa kreisi.

Ķēdē, kas parādīta 4. attēlā, ar kondensatoru 2000 μF un pretestības pretestību 500 Ω, laika konstante būs τ = R * C = 500 * 2000 = 1 000 000 mikrosekundi vai tieši viena sekunde. Tādējādi jums būs jāgaida apmēram 5 sekundes, līdz kondensators ir pilnībā uzlādēts.

Ja pēc noteiktā laika beigām slēdzis SA tiek pagriezts pareizajā stāvoklī, kondensators C tiek izlādēts caur EL spuldzi. Šajā brīdī notiek īsa zibspuldze, kondensators izlādējas un gaisma izdziest. Kondensatora izlādes virzienu parāda bultiņa ar indeksu ip. Izlādes laiku nosaka arī laika konstante τ. Izlādes grafiks ir parādīts 6. attēlā.

6. attēls. Kondensatora izlādes diagramma

Kondensators neiztur līdzstrāvu

Lai pārbaudītu šo paziņojumu, palīdzēs vēl vienkāršāka shēma, kas parādīta 7. attēlā.

7. attēls. Ķēde ar kondensatoru līdzstrāvas ķēdē

Ja aizverat slēdzi SA, seko īss spuldzes mirgojums, kas norāda, ka kondensators C tiek uzlādēts caur spuldzi. Šeit parādīta arī uzlādes diagramma: brīdī, kad slēdzis aizveras, strāva ir maksimāla, jo kondensators uzlādējas, tas samazinās, un pēc brīža tas pilnībā apstājas.

Ja kondensators ir kvalitatīvs, t.i. ar nelielu noplūdes strāvu (pašizlāde), atkārtota slēdža aizvēršana neizraisīs zibspuldzi. Lai iegūtu vēl vienu zibspuldzi, kondensators būs jāizlādē.

Kondensators jaudas filtros

Kondensators parasti tiek novietots pēc taisngrieža. Visbiežāk taisngrieži tiek izgatavoti pusviļņu režīmā. Visizplatītākās taisngriežu shēmas ir parādītas 8. attēlā.

8. attēls. Taisngriežu shēmas

Pusviļņu taisngrieži parasti tiek izmantoti arī parasti gadījumos, kad slodzes jauda ir nenozīmīga. Šādu taisngriežu visvērtīgākā kvalitāte ir vienkāršība: tikai viena diode un transformatora tinums.

Pusviļņu taisngriezim filtra kondensatora kapacitāti var aprēķināt pēc formulas

C = 1 000 000 * Po / 2 * U * f * dU, kur C ir kondensators μF, Po ir slodzes jauda W, U ir spriegums taisngrieža izejā V, f ir maiņstrāvas sprieguma frekvence Hz, dU ir pulsācijas amplitūda V.

Liels skaitītājs skaitītājā 1 000 000 pārveido kondensatora kapacitāti no sistēmas Farads uz mikrofarādēm. Divi saucējā norāda taisngrieža pusperiodu skaitu: ja pusviļņa vietā tā parādīsies vienība

C = 1 000 000 * Po / U * f * dU,

un trīsfāzu taisngriezim formula būs šāda: C = 1 000 000 * Po / 3 * U * f * dU.

Superkondensatoru - jonistoru

Nesen tika izveidota jauna elektrolītisko kondensatoru klase, tā sauktā jonistoru. Pēc īpašībām tas ir līdzīgs akumulatoram, tomēr ar vairākiem ierobežojumiem.

Jonistors uzlādējas līdz nominālajam spriegumam īsā laikā, burtiski dažās minūtēs, tāpēc ieteicams to izmantot kā rezerves enerģijas avotu. Īstenībā jonistors ir nepolāra ierīce, un vienīgā lieta, kas nosaka tā polaritāti, ir uzlāde rūpnīcā. Lai nesajauktu šo polaritāti nākotnē, to apzīmē ar + zīmi.

Svarīgu lomu spēlē jonizatoru darbības apstākļi. 70 ° C temperatūrā ar spriegumu 0,8 no garantētās nominālās izturības ne vairāk kā 500 stundas.Ja ierīce darbosies ar spriegumu 0,6 no nominālās un temperatūra nepārsniedz 40 grādus, tad pareiza darbība ir iespējama 40 000 vai vairāk stundas.

Visizplatītākās jonistoru lietojumprogrammas ir rezerves enerģijas avoti. Tie galvenokārt ir atmiņas mikroshēmas vai elektroniskie pulksteņi. Šajā gadījumā galvenais jonistora parametrs ir maza noplūdes strāva, tā pašizlāde.

Diezgan daudzsološa ir jonizatoru izmantošana kopā ar saules paneļiem. Tas ietekmē arī lādiņa nekritiskumu un gandrīz neierobežotu lādēšanas-izlādes ciklu skaitu. Vēl viena vērtīga īpašība ir tā, ka jonistam nav nepieciešama apkope.

Līdz šim izrādījās pateikts, kā un kur darbojas elektrolītiskie kondensatori, galvenokārt līdzstrāvas ķēdēs. Kondensatoru darbība maiņstrāvas ķēdēs tiks aprakstīta citā rakstā - Kondensatori maiņstrāvas elektroietaisēm.

Boriss Aladyshkin 

P.S. Interesants kondensatoru izmantošanas gadījums: kondensatora metināšana