Кондензатори: предназначение, устройство, принцип на работа

Във всички радио и електронни устройства, с изключение на транзисторите и микросхемите, се използват кондензатори. В някои схеми има повече от тях, в други по-малко, но абсолютно без кондензатори практически няма електронна схема.

В този случай кондензаторите могат да изпълняват различни задачи в устройства. На първо място, това са контейнери във филтрите на токоизправителите и стабилизаторите. С помощта на кондензатори се предава сигнал между етапите на усилвателя, изграждат се ниско и високочестотни филтри, задават се интервали от време във времевите закъснения и се избира честотата на трептенията в различни генератори.

Кондензаторите водят от leiden банкикоито в средата на 18 век са били използвани в техните експерименти от холандския учен Петер ван Мушенбрук. Той е живял в град Лейден, така че е лесно да се отгатне защо се е наричала тази банка.

Всъщност това беше обикновен стъклен буркан, облицован отвътре и отвън с калаено фолио - станиол. Използван е за същите цели като съвременния алуминий, но тогава алуминият все още не е отворен.

Единственият източник на електроенергия в онези дни е електрофорна машина, способна да развие напрежение до няколкостотин киловолта. Именно от нея те заредиха един буркан от Лейдън. В учебниците по физика е описан случай, когато Мушенбрук разтоварил кутията си през верига от десет стража, държащи се за ръце.

По това време никой не знаеше, че последствията могат да бъдат трагични. Ударът се оказа доста чувствителен, но не и фатален. Не се стигна до това, тъй като капацитетът на бурканчето Лейден беше незначителен, импулсът се оказа много краткотраен, така че силата на разреждане беше малка.

Как е кондензаторът

Устройството на кондензатора практически не се различава от бурканчето Лейден: всички същите две плочи, разделени с диелектрик. Ето как са изобразени кондензатори на съвременните електрически вериги. Фигура 1 показва схематична структура на плосък кондензатор и формулата за неговото изчисляване.

Фигура 1. Устройство с плосък кондензатор

Тук S е площта на плочата в квадратни метра, d е разстоянието между плочите в метри, C е капацитетът във фаради, ε е диелектричната константа на средата. Всички стойности, включени във формулата, са посочени в системата SI. Тази формула е валидна за най-простия плосък кондензатор: можете просто да поставите две метални плочи до тях, от които се правят изводи. Въздухът може да служи като диелектрик.

От тази формула може да се разбере, че капацитетът на кондензатора е по-голям, толкова по-голяма е площта на плочите и толкова по-малко е разстоянието между тях. За кондензатори с различна геометрия формулата може да бъде различна, например за капацитета на един проводник или електрически кабел, Но зависимостта на капацитета от площта на плочите и разстоянието между тях е същата като тази на плосък кондензатор: колкото по-голяма е площта и колкото е по-малко разстоянието, толкова по-голям е капацитетът.

Всъщност плочите не винаги са направени плоски. За много кондензатори, например хартия, плочите са алуминиево фолио, навити заедно с хартиена диелектрика в стегната топка, във формата на метален калъф.

За да се увеличи електрическата сила, тънката кондензаторна хартия се импрегнира с изолационни състави, най-често трансформаторно масло. Този дизайн ви позволява да направите кондензатори с капацитет до няколкостотин микрофарада. Кондензаторите с други диелектрици са подредени по подобен начин.

Формулата не съдържа никакви ограничения върху площта на плочите S и разстоянието между плочите d.Ако приемем, че плочите могат да бъдат разпространени много далеч и в същото време да направят плочата много малка, тогава някакъв капацитет, макар и малък, ще остане. Това разсъждение предполага, че дори само два проводника, разположени в съседство, имат електрически капацитет.

Това обстоятелство е широко използвано във високочестотната технология: в някои случаи кондензаторите се изработват просто под формата на печатни схеми или дори само два проводника, усукани заедно в полиетиленова изолация. Обикновените телени юфки или кабели също имат капацитет и с увеличаване на дължината се увеличават.

Освен капацитет С, всеки кабел има и съпротивление R. И двете тези физични свойства се разпределят по дължината на кабела и при предаване на импулсни сигнали работят като интегрираща RC - верига, показана на фигура 2.

Фигура 2

На фигурата всичко е просто: тук е веригата, тук е входният сигнал, но тук той е на изхода. Импулсът се изкривява отвъд разпознаването, но това се прави нарочно, за което веригата е сглобена. Междувременно говорим за ефекта на капацитета на кабела върху импулсния сигнал. Вместо импулс, такъв „звънец“ ще се появи в другия край на кабела и ако импулсът е кратък, той може изобщо да не достигне до другия край на кабела, той ще изчезне напълно.

Исторически факт

Тук е напълно уместно да си припомним историята как е положен трансатлантическият кабел. Първият опит през 1857 г. се проваля: телеграфните точки - тирета (правоъгълни импулси) са изкривени, така че нищо не може да бъде разглобено в другия край на 4000 км линия.

Втори опит е направен през 1865г. По това време английският физик У. Томпсън е разработил теория за предаване на данни по дълги линии. В светлината на тази теория маршрутизацията на кабелите се оказа по-успешна и беше възможно приемането на сигнали.

За този научен подвиг кралица Виктория предостави на учения рицарството и титлата лорд Келвин. Това беше името на малкия град на брега на Ирландия, където започна полагането на кабели. Но това е само дума и сега се връщаме към последната буква във формулата, а именно към диелектричната константа на средата ε.

Малко за диелектриците

Това ε е в знаменателя на формулата, следователно увеличаването му ще доведе до увеличаване на капацитета. За повечето използвани диелектрици, като въздух, лавсан, полиетилен, флуоропласт, тази константа е почти същата като тази на вакуума. Но в същото време има много вещества, чиято диелектрична константа е много по-висока. Ако кондензаторът на въздуха се напълни с ацетон или алкохол, тогава капацитетът му ще се увеличава на всеки 15 ... 20.

Но такива вещества, в допълнение към високото ε, имат и достатъчно висока проводимост, следователно такъв кондензатор няма да побере добре заряд, бързо ще се изхвърли през себе си. Това вредно явление се нарича ток на изтичане. Затова се разработват специални материали за диелектрици, които с висок специфичен капацитет на кондензаторите осигуряват приемливи токове на изтичане. Това обяснява разнообразието от видове и типове кондензатори, всеки от които е проектиран за специфични условия.

Електролитичен кондензатор

Най-високият специфичен капацитет (съотношение капацитет / обем) електролитни кондензатори, Капацитетът на "електролити" достига до 100 000 микрофарада, а работното напрежение е до 600V. Такива кондензатори работят добре само при ниски честоти, най-често във филтри на захранващи устройства. Електролитичните кондензатори се включват в полярност.

Електродите в такива кондензатори са тънък филм от метален оксид, затова често тези кондензатори се наричат ​​оксидни. Тънък слой въздух между такива електроди не е много надежден изолатор, следователно между оксидните плочи се въвежда слой от електролит. Най-често това са концентрирани разтвори на киселини или основи.

Фигура 3 показва един от тези кондензатори.

Фигура 3. Електролитичен кондензатор

За да се оцени размерът на кондензатора, до него беше снимана обикновена кибритена кутия. В допълнение към достатъчно голям капацитет на фигурата, можете да видите и процентното отклонение: не по-малко от 70% от номиналното.

В онези дни, когато компютрите бяха големи и се наричаха компютри, такива кондензатори бяха в дискове (в съвременния HDD). Информационният капацитет на такива устройства вече може да предизвика само усмивка: 5 мегабайта информация бяха запазени на два диска с диаметър 350 мм, а самото устройство тежеше 54 кг.

Основната цел на суперкондензаторите, показани на фигурата, беше изтеглянето на магнитни глави от работната зона на диска по време на внезапно прекъсване на захранването. Такива кондензатори могат да съхраняват заряд в продължение на няколко години, което беше тествано на практика.

Малко по-ниско с електролитни кондензатори ще бъде предложено да направите няколко прости експеримента, за да разберете какво може да направи кондензатор.

За да работите в променливотокови вериги, се произвеждат неполярни електролитични кондензатори, това просто да ги вземете по някаква причина е много трудно. За да се преодолее по някакъв начин този проблем, обикновените полярни "електролити" включват противопоследователност: плюс-минус-минус-плюс.

Ако полярният електролитен кондензатор е включен в веригата на променлив ток, тогава той първо ще се нагрее и тогава ще се чуе експлозия. Вътрешните стари кондензатори, разпръснати във всички посоки, докато вносните имат специално устройство, което избягва силни изстрели. Обикновено това е или напречен отвор на дъното на кондензатора, или отвор с гумена запушалка, разположена на същото място.

Те не обичат електролитни кондензатори с повишено напрежение, дори ако се наблюдава полярността. Следователно, никога не трябва да поставяте "електролити" във верига, където се очаква напрежение, близко до максималното за даден кондензатор.

Понякога в някои, дори уважавани форуми, начинаещите задават въпроса: „Кондензаторът 470 µF * 16V е показан на диаграмата, а аз имам 470 µF * 50V, мога ли да го сложа?“ Да, разбира се, че можете, но обратната подмяна е неприемлива.

Кондензаторът може да съхранява енергия

За справяне с това твърдение ще ви помогне проста схема, показана на фигура 4.

Фигура 4. Верига с кондензатор

Главният герой на тази схема е електролитен кондензатор С с достатъчно голям капацитет, така че процесите на заряд-разряд протичат бавно и дори много ясно. Това дава възможност да се наблюдава визуално работата на веригата, като се използва конвенционална светлина от фенерче. Тези светлини отдавна отстъпват на съвременните светодиоди, но крушки за тях все още се продават. Следователно е много лесно да се сглоби схема и да се проведат прости експерименти.

Може би някой ще каже: „Защо? В крайна сметка всичко е очевидно и дори да прочетете описанието ... ” Изглежда няма какво да спорим тук, но всяко, дори и най-простото нещо, остава дълго в главата, ако разбирането му е минало през ръце.

Така че, веригата е сглобена. Как работи тя?

В положението на превключвателя SA, показано на диаграмата, кондензаторът C се зарежда от източника на захранване GB през резистора R във веригата: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. Токът на зареждане в диаграмата е показан със стрелка с индекс iz. Процесът на зареждане на кондензатор е показан на фигура 5.

Фигура 5. Процес на зареждане на кондензатора

Фигурата показва, че напрежението върху кондензатора се увеличава по крива, в математиката, наречена експонент. Зарядният ток директно отразява напрежението на заряда. С нарастването на напрежението в кондензатора токът на заряд става все по-малък. И само в началния момент съответства на формулата, показана на фигурата.

След известно време кондензаторът ще се зарежда от 0V до напрежението на източника на захранване, в нашата верига до 4,5V. Целият въпрос е, как е време да се определи колко време да се чака, кога ще се зарежда кондензаторът?

Константа на тау време τ = R * C

В тази формула съпротивлението и капацитетът на серийно свързан резистор и кондензатор просто се умножават.Ако, без да пренебрегваме системата SI, заменим съпротивлението в Ома, капацитета във Фарад, тогава резултатът ще бъде за секунди. Това време е необходимо кондензаторът да зарежда до 36,8% от напрежението на източника на енергия. Съответно, за такса от почти 100% ще е необходимо време 5 * τ.

Често, пренебрегвайки системата SI, съпротивлението в Ом се замества във формулата, а капацитетът е в микрофаради, тогава времето ще се окаже в микросекунди. В нашия случай е по-удобно да получите резултата за секунди, за което просто трябва да умножите микросекундите на милион или, по-просто казано, да преместите запетаята шест знака вляво.

За схемата, показана на фигура 4, с кондензатор 2000 μF и съпротивление на резистора 500 Ω, постоянната време ще бъде τ = R * C = 500 * 2000 = 1 000 000 микросекунди или точно една секунда. По този начин ще трябва да изчакате около 5 секунди, докато кондензаторът бъде напълно зареден.

Ако след изтичане на определеното време, превключвателят SA се обърне в правилното положение, тогава кондензаторът C се зауства през крушката EL. В този момент ще възникне кратка светкавица, кондензаторът ще се разреди и светлината ще изгасне. Посоката на разреждане на кондензатора е показана със стрелка с индекс ip. Времето на разреждане също се определя от времевата константа. Графиката на разреждане е показана на фигура 6.

Фигура 6. Графика за изпускане на кондензатора

Кондензаторът не преминава постоянен ток

За проверка на това твърдение ще помогне още по-опростена схема, показана на фигура 7.

Фигура 7. Верига с кондензатор в постояннотоковата верига

Ако затворите превключвателя SA, ще последва кратко мигане на крушката, което показва, че кондензаторът C се зарежда през крушката. Графиката на заряда също е показана тук: в момента, когато превключвателят се затвори, токът е максимален, тъй като кондензаторът се зарежда, той намалява и след известно време спира напълно.

Ако кондензаторът е с добро качество, т.е. с малък ток на изтичане (саморазряд), многократното затваряне на превключвателя няма да доведе до миг. За да получите друга светкавица, кондензаторът ще трябва да бъде разреден.

Кондензатор в силови филтри

Кондензаторът обикновено се поставя след изправителя. Най-често токоизправителите се правят на половин вълна. Най-често срещаните токоизправителни вериги са показани на фигура 8.

Фигура 8. Токоизправителни вериги

Полувълновите токоизправители също се използват доста често, като правило, в случаите, когато мощността на натоварването е незначителна. Най-ценното качество на такива изправители е простотата: само един диод и намотка на трансформатора.

За полувълнов изправител капацитетът на филтърния кондензатор може да се изчисли по формулата

C = 1,000,000 * Po / 2 * U * f * dU, където C е кондензаторът μF, Po е мощността на натоварването W, U е напрежението на изхода на токоизправителя V, f е честотата на променливотоковото напрежение Hz, dU е амплитудата на пулсациите V.

Голямо число в числителя от 1 000 000 преобразува капацитета на кондензатора от система Farads в микрофаради. Двете в знаменателя представлява броя на полупериодите на изправителя: за полувълна на негово място ще се появи единица

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

а за трифазен токоизправител формулата ще приеме формата C = 1,000,000 * Po / 3 * U * f * dU.

Суперкондензатор - йонистор

Наскоро се появи нов клас електролитни кондензатори, т.нар ionistor, По свойствата си той е подобен на батерия, но с няколко ограничения.

Йонисторът се зарежда до номиналното напрежение за кратко време, буквално за няколко минути, така че е препоръчително да го използвате като резервен източник на захранване. Всъщност йонисторът е неполярно устройство, единственото, което определя неговата полярност, е зареждането във фабриката. За да не объркате тази полярност в бъдеще, тя се обозначава със знака +.

Важна роля играят условията на работа на йонистите. При температура 70 ° C при напрежение 0,8 от номиналната гарантирана трайност не повече от 500 часа.Ако устройството ще работи при напрежение 0,6 от номиналното, а температурата не надвишава 40 градуса, тогава правилната работа е възможна за 40 000 часа или повече.

Най-често срещаните йонисторни приложения са резервни източници на енергия. Това са главно чипове памет или електронни часовници. В този случай основният параметър на йонистатора е нисък ток на изтичане, неговото саморазреждане.

Доста обещаващо е използването на йонистори във връзка със слънчеви панели. Освен това влияе върху некритичността към състоянието на заряда и почти неограничен брой цикли на зареждане и заряд. Друго ценно свойство е, че йонисторът не поддържа поддръжка.

Досега се оказа, че се казва как и къде работят електролитни кондензатори и то главно в постояннотокови вериги. Работата на кондензаторите в променливотокови вериги ще бъде описана в друга статия - Кондензатори за електрически инсталации с променлив ток.

Борис Аладишкин 

Послепис Интересен случай за използване на кондензатори: кондензаторно заваряване