Как с помощью конденсатора увеличить напряжение: тест преобразователя на конденсаторах, обзор схемы и характеристик стабилизатора с RU7088R

тест преобразователя на конденсаторах, обзор схемы и характеристик стабилизатора с RU7088R

Для чего он нужен с такими параметрами? В принципе можно и обойтись без него, повышающий трансформатор и диодный мост могут заменить этот прибор запросто. Но небольшие габариты и возможность регулировки выходного напряжения делают этот девайс достойным того, чтобы обратить на него внимание. Утилитарное предназначение с сайта продавца:
1. Зарядка конденсаторов питания электромагнитных пушек.
2. Питание электронных устройств.
3. Испытания высоким напряжением
4. Борьба с хомяками
В данном обзоре я рассмотрю его применение в тестах китайских безродных электролитических конденсаторов.

Габариты: 60х50х22
Вес: 55 грамм
Сборка-пайка на четверочку, флюс кое-где не отмыт.


Силовой Переключающий элемент — RU7088R — MOSFET, 70V, 80A
Остальные микросхемы с заботливо потертыми производителем маркировками.
Вход защищен от переплюсовки автомобильным предохранителем на 10А.
Выходная мощность 40 Ватт (Пиковая 70 Ватт)
Максимальный ток 0,2 А
Ток покоя: 15 мА
Рабочая частота: 75 кГц
Алгоритм работы: Подаем на вход 8-32 В DC, подстроечным резистором выставляем требуемое напряжение на выходе. (изменение входного напряжения в заданном диапазоне не влияет на выходное!)
По факту при 8 вольтах преобразователь работает нестабильно. При 10 В нестабильно работает под нагрузкой. Нормально работает от 12 В и выше.
Выход Мин и Макс:


Перед тем, как перейти к экспериментам, напоминаю — на разных частях платы присутствует высокое напряжение, которое опасно для ваших любимых дорогостоящих приборов!
Купил я как-то парочку конденсаторов на Алиэкспресс и написал про них обзор: Алюминиевый электролитический конденсатор 2200 мкФ 450 В Hitachi или «Hitachi»
Кому лень ходить по ссылкам: при низковольтных измерениях – отличные конденсаторы. Но аборигены mysku.ru методом запугивания убедили меня, что вряд ли они будут работать при высоком напряжении, и красивый взрыв с эффектно разлетающимися конфетти из фольги неизбежен. Я переложил на всякий случай конденсаторы из ящика стола в сейф для хранения оружия и запретил к нему подходить всем, кроме тещи.


Собрал вот такой стенд на лоджии (благо там сейчас ремонт):

Для пущего эффекта разложил все равномерно вокруг конденсатора. Подключил и токоизмерительные клещи, и термопару примотал изолентой к корпусу- я же серьезный исследователь. Камеру засунул в аквабокс.

Подготовка

Экипировался в хоккейную ракушку, маску сварщика, в бандану из противопожарной кошмы (защитил все круглое), примотал к рукам палки для скандинавской ходьбы – манипуляторы, кнопки нажимать. Позвонил в МЧС: «Не спите». «Нет, не спим», — ответили в МЧС. «Это, вообще-то, не вопрос был, а пожелание.»
Все вроде бы готово. Обратил внимание, что ветер стих, смолкли птицы, перестал плакать маленький ребенок за стеной, только несмазанные детские качели внизу заунывно скрипели потревоженные чьей-то беспечной рукой… Хотел перекреститься, но куда-там, чертовы палки…

Включил, наблюдал в щелочку, напряжение росло. На электродах конденсатора, у меня-то нервы железные. За несколько секунд напряжение достигло максимума в 394 В, температура на корпусе электролита не менялась в течении 10 минут. Т. е. конденсатор прошел тест на живучесть. Порадовался, но чувство легкого разочарования осталось…
После выключения питания конденсатор довольно долго разряжается. Ускорение этого процесса с помощью металлического предмета приводит к вспышке, хлопку и порче металлического предмета.
Если не удалось использовать китайский электролит в качестве китайской петарды, придется его использовать по прямому назначению.
Что можно и нужно измерить? Правильно – ток утечки при заданном напряжении. У меня максимально возможное 394 В, на нем и будем мерить.

У идеального конденсатора ток утечки стремится к нулю. В реальности все не так, поэтому смотрим в таблицу и выбираем оттуда значение, которое ток не должен превышать. Для моего конденсатора 2200 мкФ на 394 вольтах не более 5,5 мА.
Схема подключения приборов при измерении:

Методика измерения — замыкаете накоротко амперметр, полностью заряжаете конденсатор, контролируя напряжение вольтметром. После полного заряда размыкаете амперметр – он показывает ток утечки. Если уверенны в своем амперметре, то можете его входы не замыкать, тогда еще и ток заряда посмотрите.


Для испытуемого конденсатора ток утечки в норме. От этого он не стал японским, но его смело можно использовать.
Выводы:
Не знаю, годен ли обозреваемый в качестве источника питания, пульсации я осциллографом не смотрел, но заряжать конденсаторы, пытать шпионов и убивать хомяков данным устройством можно.
Плюсы:
+ работает
+ приличный изменяемый диапазон выходного напряжения
+ есть возможность выбора входного напряжения
Минусы:
— можно предъявить претензии к качеству пайки и отмывки платы. Не критично, но все же.
Если нужен источник высокого напряжения, можно брать.

проверенный способ соединения, формула, типы подключений

Если нужно срочно отремонтировать технику, а нужного конденсатора нет, то можно увеличить емкость конденсатора, как известно из школьной программы, соединив несколько приборов в одну цепь.

Такая проблема может также возникнуть, если, например, нужного номинала нет в продаже, то есть для нестандартных подключений, например, в радиотехнических опытах.

Электрическая емкость

При соединении приборов для конденсации заряда, как правило, техника интересует электрическая емкость, которая получится в итоге.

Электроемкость показывает способность двухполюсника накапливать в себе заряд и измеряется в фарадах. Может показаться, что чем выше это значение, тем лучше, но на практике не существует возможности создать все возможные на свете емкости, более того, часто это и не нужно, так как во всех приборах, использующихся повседневно,

применяются стандартные приборы для конденсации.

Можно соединить несколько приборов для конденсации в цепь, создав одну конденсирующую емкость, при этом значение характерной величины будет зависеть от типа подключения, и для его расчета есть давно известные формулы.

Параллельное соединение

Существует два типа подключения приборов в цепь: последовательное и параллельное. Каждый из них обладает своими свойствами, но, как правило, используется параллельное соединение конденсаторов.

Параллельное соединение обладает такими свойствами:

1. Емкость составного двухполюсника увеличивается по сравнению с каждым отдельным прибором.
2. Напряжение в сети не изменяется.

Соединить конденсаторы для увеличения емкости, как показывают свойства, лучше этим способом. Для этого нужно соединить выводы с каждого двухполюсника по группам: у каждого из них два вывода.

Нужно создать две группы: в одну соединить все конденсаторы с одного вывода, а во вторую с оставшегося.

При таком соединении приборы для конденсации образуют одну емкость, поэтому верна такая формула: С=С1+С2+…СN, где N — количество конденсаторов в цепи.

Например, если имеются номинальные значения 50мкф, 100мкф и 150мкф, то при последовательном подключении общее значение в цепи будет 300мкф.

В жизни это подключение используют довольно часто, например, если при расчетах оказалось, что требуется такой двухполюсник, которого в продаже точно не найти. С помощью этого способа можно варьировать емкость конденсатора так, как это потребуется, при этом не изменяя напряжение в сети.

Последовательное включение конденсаторов

Свойства последовательного включения конденсаторов:

1. Емкость последовательно соединенных приборов для конденсации заряда в отличие от емкости параллельно соединенных конденсаторов уменьшается.
2. Напряжение на приборах растет.

Для такого подключения нужно просто соединять выводы двухполюсников один с другим, образуя цепочку: вывод первого будет соединен с выводом второго, оставшийся вывод второго с выводом третьего и так далее.

Формула подключения: 1/(1/С1+1/С2+…+1/СN), где N — это количество приборов в соединении.

Например, есть три конденсатора по 100мкф. 1/100+1/100+1/100=0,03мкф. 1/0,03=33мкф.

Заряды распределятся с чередующимся знаком, а емкостное значение будет ограничено только им же для самого слабого звена в цепи. Как только он получит свой заряд, передача тока в цепи прекратится.

Для чего тогда нужен подобный способ подключения? Такая

цепь более устойчива и может выдержать большее напряжение при подключении в схему при меньшем емкостном номинале конденсатора. Однако в продаже имеются приборы, которые и без того обладают нужными свойствами, поэтому-то такое подключение в жизни практически не используется, а если используется, то для специфических задач.

Смешанный способ

Сочетает в себе параллельное и последовательное подключения.

При этом для участков с последовательным соединением характерны свойства последовательного соединения, а для участков с параллельным — свойства параллельного.

Оно используется, когда ни электроемкость, ни номинальное напряжение приборов, имеющихся в продаже, не подходят для задачи. Обычно такая проблема возникает в радиотехнике.

Чтобы определить общее значение электроемкости, нужно будет сначала определить это же значение для параллельно соединенных двухполюсников, а потом для их последовательного соединения.

Сравнение различных вариантов

	Емкость	Напряжение
Параллельное	Увеличивается	Не изменяется
Последовательное	Уменьшается	Увеличивается
Смешанное	Изменяется	Увеличивается

Для выбора соединения можно воспользоваться такой таблицей. Слева тип соединения приборов, сверху свойства прибора для конденсации заряда.

Если требуется увеличить емкость, то нужно использовать параллельное соединение, а если увеличить напряжение – то последовательное. Если же требуется и то, и то, то нужно будет рассчитывать смешанное подключение конденсаторов в цепь.

Соединение конденсаторов.

Как правильно соединять конденсаторы?

У многих начинающих любителей электроники в процессе сборки самодельного устройства возникает вопрос: “Как правильно соединять конденсаторы?”

Казалось бы, зачем это надо, ведь если на принципиальной схеме указано, что в данном месте схемы должен быть установлен конденсатор на 47 микрофарад, значит, берём и ставим. Но, согласитесь, что в мастерской даже заядлого электронщика может не оказаться конденсатора с необходимым номиналом!

Похожая ситуация может возникнуть и при ремонте какого-либо прибора. Например, необходим электролитический конденсатор ёмкостью 1000 микрофарад, а под рукой лишь два-три на 470 микрофарад. Ставить 470 микрофарад, вместо положенных 1000? Нет, это допустимо не всегда. Так как же быть? Ехать на радиорынок за несколько десятков километров и покупать недостающую деталь?

Как выйти из сложившейся ситуации? Можно соединить несколько конденсаторов и в результате получить необходимую нам ёмкость. В электронике существует два способа соединения конденсаторов: параллельное и последовательное.

В реальности это выглядит так:

Параллельное соединение

Принципиальная схема параллельного соединения

Последовательное соединение

Принципиальная схема последовательного соединения

Также можно комбинировать параллельное и последовательное соединение. Но на практике вам вряд ли это пригодиться.

Как рассчитать общую ёмкость соединённых конденсаторов?

Помогут нам в этом несколько простых формул. Не сомневайтесь, если вы будете заниматься электроникой, то эти простые формулы рано или поздно вас выручат.

Общая ёмкость параллельно соединённых конденсаторов:

С₁ – ёмкость первого;

С₂ – ёмкость второго;

С₃ – ёмкость третьего;

С_N – ёмкость N-ого конденсатора;

C_общ – суммарная ёмкость составного конденсатора.

Как видим, при параллельном соединении ёмкости нужно всего-навсего сложить!

Внимание! Все расчёты необходимо производить в одних единицах. Если выполняем расчёты в микрофарадах, то нужно указывать ёмкость C₁, C₂ в микрофарадах. Результат также получим в микрофарадах. Это правило стоит соблюдать, иначе ошибки не избежать!

Чтобы не допустить ошибку при переводе микрофарад в пикофарады, а нанофарад в микрофарады, необходимо знать сокращённую запись численных величин. Также в этом вам поможет таблица. В ней указаны приставки, используемые для краткой записи и множители, с помощью которых можно производить пересчёт. Подробнее об этом читайте здесь.

Ёмкость двух последовательно соединённых конденсаторов можно рассчитать по другой формуле. Она будет чуть сложнее:

Внимание! Данная формула справедлива только для двух конденсаторов! Если их больше, то потребуется другая формула. Она более запутанная, да и на деле не всегда пригождается .

Или то же самое, но более понятно:

Если вы проведёте несколько расчётов, то увидите, что при последовательном соединении результирующая ёмкость будет всегда меньше наименьшей, включённой в данную цепочку. Что это значить? А это значит, что если соединить последовательно конденсаторы ёмкостью 5, 100 и 35 пикофарад, то общая ёмкость будет меньше 5.

В том случае, если для последовательного соединения применены конденсаторы одинаковой ёмкости, эта громоздкая формула волшебным образом упрощается и принимает вид:

Здесь, вместо буквы M ставиться количество конденсаторов, а C₁ – его ёмкость.

Стоит также запомнить простое правило:

При последовательном соединении двух конденсаторов с одинаковой ёмкостью результирующая ёмкость будет в два раза меньше ёмкости каждого из них.

Таким образом, если вы последовательно соедините два конденсатора, ёмкость каждого из которых 10 нанофарад, то в результате она составит 5 нанофарад.

Не будем пускать слов по ветру, а проверим конденсатор, замерив ёмкость, и на практике подтвердим правильность показанных здесь формул.

Возьмём два плёночных конденсатора. Один на 15 нанофарад (0,015 мкф.),а другой на 10 нанофарад (0,01 мкф.) Соединим их последовательно. Теперь возьмём мультиметр Victor VC9805+ и замерим суммарную ёмкость двух конденсаторов. Вот что мы получим (см. фото).

Замер ёмкости при последовательном соединении

Ёмкость составного конденсатора составила 6 нанофарад (0,006 мкф.)

А теперь проделаем то же самое, но для параллельного соединения. Проверим результат с помощью того же тестера (см. фото).

Измерение ёмкости при параллельном соединении

Как видим, при параллельном соединении ёмкость двух конденсаторов сложилась и составляет 25 нанофарад (0,025 мкф.).

Что ещё необходимо знать, чтобы правильно соединять конденсаторы?

Во-первых, не стоит забывать, что есть ещё один немаловажный параметр, как номинальное напряжение.

При последовательном соединении конденсаторов напряжение между ними распределяется обратно пропорционально их ёмкостям. Поэтому, есть смысл при последовательном соединении применять конденсаторы с номинальным напряжением равным тому, которое имеет конденсатор, взамен которого мы ставим составной.

Если же используются конденсаторы с одинаковой ёмкостью, то напряжение между ними разделится поровну.

Для электролитических конденсаторов.

При соединении электролитических конденсаторов (электролитов) строго соблюдайте полярность! При параллельном соединении всегда подключайте минусовой вывод одного конденсатора к минусовому выводу другого,а плюсовой вывод с плюсовым.

Параллельное соединение электролитов

Схема параллельного соединения

В последовательном соединении электролитов ситуация обратная. Необходимо подключать плюсовой вывод к минусовому. Получается что-то вроде последовательного соединения батареек.

Последовательное соединение электролитов

Схема последовательного соединения

Также не забывайте про номинальное напряжение. При параллельном соединении каждый из задействованных конденсаторов должен иметь то номинальное напряжение, как если бы мы ставили в схему один конденсатор. То есть если в схему нужно установить конденсатор с номинальным напряжением на 35 вольт и ёмкостью, например, 200 микрофарад, то взамен его можно параллельно соединить два конденсатора на 100 микрофарад и 35 вольт. Если хоть один из них будет иметь меньшее номинальное напряжение (например, 25 вольт), то он вскоре выйдет из строя.

Желательно, чтобы для составного конденсатора подбирались конденсаторы одного типа (плёночные, керамические, слюдяные, металлобумажные). Лучше всего будет, если они взяты из одной партии, так как в таком случае разброс параметров у них будет небольшой.

Конечно, возможно и смешанное (комбинированное) соединение, но в практике оно не применяется (я не видел ). Расчёт ёмкости при смешанном соединении обычно достаётся тем, кто решает задачи по физике или сдаёт экзамены 🙂

Тем же, кто не на шутку увлёкся электроникой непременно надо знать, как правильно соединять резисторы и рассчитывать их общее сопротивление!

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Что означает «конденсаторы пытаются поддерживать напряжение на постоянном уровне»

Вот пример того, как конденсатор пытается «поддерживать постоянное напряжение» (хотя на самом деле это не самый важный способ думать о них):

Скажем, у вас есть два одинаковых конденсатора (крышки). Предположим, что cap1 первоначально заряжается до 10 В, а cap2 до 5 В, и они больше не подключены к цепи, которая их заряжала. Если вы соедините две заглушки параллельно друг с другом, cap1 будет «пытаться поддерживать» 10 вольт в цепи, пытаясь довести напряжение cap2 до 10 В, то есть путем сброса тока в cap2.

(И наоборот, с точки зрения cap2, он будет пытаться удерживать напряжение на уровне 5 В, потребляя ток из cap1).

(Результатом этого упражнения будет то, что объединенное напряжение на крышке отключится примерно на 7,5 В, поскольку они имеют одинаковую емкость).

Изменить: Чтобы ответить на некоторые другие ваши вопросы, идеальный конденсатор будет заряжаться так же высоко, как и напряжение, приложенное к нему. Конечно, в реальной жизни шапки имеют номинальные напряжения. Ваше понимание верно, но в вашей пуле № 4 я хочу прояснить, что крышка будет на 5 В, поэтому ток будет течь из крышки и в источник 4 В. Источник 4 В будет поглощать этот ток до тех пор, пока ограничение не снизится до 4 В.

Нюанс, когда речь идет о токе крышки для цепей постоянного тока: люди обычно говорят, что ток течет «в» или «из» крышки, а не ток течет «через» крышку, как ты сказал.

Edit2: также для ваших пуль № 1 и 2: вы подразумеваете, что напряжение на крышке постепенно увеличивается. Для неидеальных колпачков существует разница между зарядом колпачка и напряжением на нем. Напряжение, измеренное от отрицательного вывода к положительному выводу, составило бы 5 В при подаче мгновенного напряжения 5 В (из-за внутреннего сопротивления), но крышка будет логарифмически увеличиваться в заряде. Таким образом, ток в крышке сначала будет высоким (пусковой ток), а затем постепенно снижается по мере увеличения заряда (так как дельта-V уменьшается).

Вопрос 1 – это вопрос с подвохом. Сопротивление изменению напряжения будет происходить всякий раз, когда есть разница между зарядным напряжением крышки и приложенным к ней напряжением. Если есть разница, крышка заряжается или разряжается.

Схемы умножения напряжения | Высоковольтное испытательное оборудование и измерения

Страница 23 из 41

Изготовление трансформаторов на высокое напряжение и последующее выпрямление последнего представляет определенные трудности. Поэтому иногда для получения высокого постоянного напряжения применяют схемы удвоения, утроения и вообще умножения напряжения трансформатора с помощью конденсаторов и вентилей.
На зажимах вентиля (выход схемы) получается напряжение, изменяющееся от нуля до почти удвоенного напряжения трансформатора. Рядом приведена форма кривой напряжения, которая получается при включении нагрузки, не вызывающей большого падения напряжения.

Рис. 3-13. Простейшая схема выпрямления и удвоения напряжения.
Простейшая схема выпрямления и удвоения напряжения представлена на рис. 3-13. За один полупериод емкость С через кенотрон К заряжается до амплитудного значения напряжения Uа, даваемого трансформатором. В продолжение второго полупериода получается сложение напряжения на заряженном конденсаторе и трансформаторе. Результирующее напряжение на выходе схемы пульсирует от нуля до почти удвоенной амплитуды напряжения трансформатора с частотой первичного тока, сохраняя все время одну полярность. Чем меньше потребляемая мощность и чем больше зарядный ток, тем ближе к удвоенному Ua будет максимальное напряжение на выходе схемы.
Заметим, что кенотрон в схеме оказывается под максимальным напряжением, равным 2Ua.

Рис. 3-14. Сдвоенная схема удвоения с пульсирующим напряжением.
Применяется сдвоенная схема удвоения с пульсирующим напряжением, как это указано на рис. 3-14. Схема представляет собой две последовательно включенные схемы удвоения напряжения, представленные на рис. 3-13. Средняя точка обмотки трансформатора заземлена, а выпрямление производится двумя последовательно включенными кенотронами.

На рис. 3-15 изображена схема удвоения другого типа.
В первую половину периода переменного тока емкость С1 через кенотрон зарядится до напряжения К1 от трансформатора. 

На рис. 3-16 приведена схема удвоения и стабилизации напряжения Грейнахера. Во время действия одной полуволны напряжения емкость С1 заряжается через кенотрон K1 до напряжения Uа, а во время другой полуволны через кенотрон К2 заряжается емкость С2.
Напряжение на выходе схемы равно сумме напряжений на обеих емкостях, т.е. приблизительно 2Uп. Схема симметрична и ее средняя точка может быть заземлена, в результате чего облегчаются изоляция установки относительно земли.
При отсутствии нагрузки на выходных зажимах схемы получается практически постоянное напряжение, равное удвоенному напряжению трансформатора.

Рис. 3-16. Схема удвоения напряжения при отсутствии нагрузки на выходных зажимах схемы.
Рис. 3-17. Изменение напряжений и токов в схеме рис. 3-16.

При включении нагрузки в продолжение каждого полупериода конденсаторы несколько разряжаются, напряжение на выходе уменьшается. На зажимах нагрузки наблюдается пульсация напряжения с частотой, равной удвоенной частоте первичного напряжения, как это представлено на рис. 3-17 (кривая 4).
При включении нагрузки с высоким сопротивлением (например, рентгеновской трубки) заряд конденсаторов и напряжение на их зажимах в продолжение времени между двумя максимумами переменного напряжения на трансформаторе уменьшаются, следуя линейному закону. Когда напряжение на зажимах конденсаторов становится меньше, чем напряжение на зажимах трансформатора, происходит подзаряд конденсаторов. На рис. 3-17 изменение напряжения на конденсаторах представлено кривыми 2 и 3, кривая 4 показывает слабо пульсирующее напряжение на зажимах нагрузки. Кривые 8-7 показывают изменение тока трансформатора, кривая 6-8-6-8-6— ток через один конденсатор, прямая 5 показывает ток через нагрузку. Напряжение на нагрузке в схеме изменяется от нуля до удвоенного максимального, даваемого трансформатором.

С увеличением тока через нагрузку конденсаторы разряжаются быстрее, вследствие чего напряжение на выходе схемы согласно изложенному выше пульсирует глубже. Соответственно выбирая параметры схемы, можно получить малую пульсацию напряжения, поэтому схема рис. 3-16 получила название стабилизирующей — «стабиловольт».
На рис. 3-18 приведена схема утроения напряжения. Когда нижний на схеме конец обмотки трансформатора b имеет максимальный положительный потенциал, оба кенотрона К1 и К2 заряжают емкости С1 и С2 до максимального значения напряжения, даваемого трансформатором.

Рис. 3-18. Схема утроения напряжения и кривая напряжения.

Так как падение напряжения на кенотронах невелико, то выходные зажимы схемы а’ и b‘ оказываются присоединенными соответственно к выводам b и а трансформатора, и напряжение на выходе будет в этот момент равно максимальному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора Uа. Когда же полярность напряжения изменится на противоположную, то кенотроны К1 и К2 не будут проводить ток. В этом случае напряжение на выходе схемы будет суммироваться из напряжений на обеих емкостях и трансформаторе и достигнет значения, приблизительно равного 3Ua.
Таким образом, на выходе схемы получается выпрямленное напряжение, пульсирующее от Uа до 3Uа. Аналитически кривая напряжений при малой нагрузке показана в правой части рис. 3-18 и выражается функцией

При последовательном соединении двух схем утроения возможны два случая.

Схема утроения напряжения была предложена в 1926 г. в Московском рентгеновском институте. Достоинством этой схемы является то обстоятельство, что трансформатор и конденсаторы работают при напряжении, равном 1/3 напряжения, даваемого установкой, а кенотроны должны
выдерживать обратное напряжение, равное 2/3 максимального напряжения на выходе схемы.
Среди различных способов трансформации электрической энергии существует указанный еще Франклином метод, состоящий в переключении ряда заряженных конденсаторов из параллельного соединения в последовательное. Получение высокого напряжения путем последовательного соединения заряженных конденсаторов с помощью механического устройства разрабатывалось и исследовалось многократно.
Гольц и Мах описали устройство механического приспособления, которое позволило такое переключение производить с достаточной быстротой. В 1877—1878 гг. Планте опубликовал результаты опытов, которые он проделал с батареей из 800 аккумуляторов. Планте заряжал этой батареей конденсатор, составленный сначала из 30, а потом из 40 слюдяных пластинок по 3 дм2 площадью каждая. При вращении коммутатора, непрерывно производившего указанное переключение, т. е. соединявшего пластинки параллельно при заряде и последовательно— для разряда, прибор этот, питаемый аккумуляторной батареей, давал искры 4—5 см длиной. Такой аппарат еще больших размеров был построен Траубриджем, который пользовался батареей из 10 000 аккумуляторов; конденсаторная батарея состояла из 120 плоских конденсаторов. Разряды, которые происходили при напряжении 3 000 кВ в воздухе, имели вид искр длиной 198 см. Этим же способом интересовались де Кудр, который при помощи батареи получал искры длиной 100 см, Лфаундлер, описавший свою конструкцию прибора, и Ломан, пользовавшийся способом переключения для измерения разрядного напряжения при высоком напряжении.
В. И. Лихов и В. И. Павлов предложили схему установки постоянного тока высокого напряжения, основанную на трансформировании напряжения путем последовательного соединения заряженных конденсаторов. Зарядка конденсаторного ряда производится системой вспомогательных конденсаторов. Заряженный вспомогательный конденсатор представляет собой источник энергии, не связанный с питающей установкой. Получив заряд от выпрямителя, вспомогательный конденсатор затем перемещается вдоль заряжаемого ряда последовательно соединенных конденсаторов.   На время перемещения от контакта заряжающего выпрямителя по всем контактам последовательного ряда заряжаемых конденсаторов и обратно вспомогательный конденсатор не нуждается в подзарядке. Он имеет необходимую изоляцию от земли и поэтому может принимать потенциал любой точки заряжаемого ряда последовательно соединенных конденсаторов.

Рис. 3-20. Схема установки постоянного тока высокого напряжения конструкции В. И. Лихова и В. И. Павлова.
Схема возможной конструкции такой установки представлена на рис. 3-20. Ряд конденсаторов b разметается внутри кожуха — ротора а. Отводы от секций ряда конденсаторов выводятся к контактам с, располагаемым по окружности на наружной поверхности ротора. При вращении ротора контакты касаются щеток, соединенных с вспомогательными конденсаторами d и f. Напряжение от зарядной выпрямительной установки подводится к контактам е, расположенным также на боковой поверхности ротора. Контакты е расположены на той же высоте, что и контакты от внутренних секций. При вращении ротора вспомогательные конденсаторы будут последовательно заряжаться. На рис. 3-21 видно расположение контактов в плане. Контакты, помеченные 1, соответствуют нижнему— первому конденсатору, а помеченные п— верхнему.

При вращении ротора полюсы некоторого заряжающего конденсатора коснутся зарядных щеток. Затем полюсы заряженного вспомогательного конденсатора коснутся полюсов нижней секции конденсаторного ряда, потом полюсов второй секции и т. д. Вспомогательный конденсатор отдает во всех случаях часть своего заряда. Через один оборот ротора вспомогательный конденсатор вновь заряжается от источника напряжения. Когда контакты вспомогательных конденсаторов касаются контактов заряженных секций, то вспомогательные конденсаторы принимают потенциал этих секций относительно земли.

Рис. 3-21. Схема расположения контактов установки (рис. 3-20).

Таким образом, при движении вспомогательного конденсатора от первого к последнему, n-му, контакту последовательно включенные конденсаторы установки заряжаются; сам вспомогательный конденсатор при этом разряжается. Его потенциал относительно земли возрастает. Ток, получаемый от такой установки при последовательном соединении заряженных конденсаторов, можно определить из формулы  где Iсп —ток, а;
С—емкость последовательно соединенных конденсаторов, ф;
р—число оборотов диска в секунду;
п—число вспомогательных конденсаторов;
k—коэффициент, характеризующий степень разрядки рабочей емкости.

Авторы полагают, что таким путем, например, используя последовательно соединенные электролитические конденсаторы на рабочее напряжение 500—700 В, с помощью механического коммутатора можно строить мощные установки на рабочее напряжение в несколько миллионов вольт.
Схемы рис. 3-13 и 3-16 являются частным случаем схем выпрямления и умножения напряжения. Теоретически возможно таким путем получать и сверхвысокие напряжения. Практически первая установка на 700 кВ, работающая по этому принципу, была построена в 1932 г. для изучения атомного ядра.
Получение постоянного тока высокого напряжения с помощью выпрямителей, кроме включения по схеме умножения (накопления) напряжения, может быть также осуществлено и некоторыми другими способами. Укажем включение выпрямителей, распределенных по обмотке трансформатора, или последовательное включение выпрямителей на выходе источника тока высокого напряжения.
Каждая из этих схем имеет свои существенные недостатки. Для осуществления первой схемы включения необходимо иметь трансформаторы с обмоткой специальной конструкции. При работе второй схемы получается неравномерное распределение напряжения по последовательно включенным выпрямителям в нерабочий полупериод.
Установки с применением конденсаторно-выпрямительных схем, содержащие большое число ступеней называют каскадными генераторами. Они позволяют получать сверхвысокие постоянные напряжения порядка нескольких миллионов вольт.

Урок 9. конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного электрического тока – Физика – 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 9. Конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного электрического тока

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

Процессы, происходящие в цепи переменного электрического тока при наличии конденсатора и катушки индуктивности;

Устройство и принцип действия генератора переменного тока и трансформатора;

Автоколебания;

Проблемы передачи электроэнергии и способы повышения эффективности её использования.

Глоссарий по теме

Автоколебания – незатухающие колебания в системе, поддерживаемые за счет постоянного источника энергии.

Электрические машины преобразующие механическую энергию в электрическую называются генераторами.

Трансформатор – устройство, применяемое для повышения или понижения переменного напряжения.

Коэффициент трансформации – величина равная отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2014. – С. 86 – 95.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. – М.: Дрофа, 2014. – С. 128 – 132.

Степанова. Г.Н. Сборник задач по физике. 10-11 класс. М., Просвещение 1999 г.

Е.А. Марон, А.Е. Марон. Контрольные работы по физике. М., Просвещение, 2004

Основное содержание урока

Переменный ток, которым мы пользуемся, вырабатывается с помощью генераторов переменного тока на электростанциях. Для передачи произведенной электроэнергии строятся линии электропередачи. В каждом населенном пункте имеются трансформаторы. Какую роль играют трансформаторы при передаче электроэнергии? Об этом мы поговорим на данном уроке.

В июле 1832 года Фарадей получил анонимное письмо, в котором автор описывал устройство созданного им генератора постоянного тока. Ознакомившись с содержанием письма Фарадей тут же отослал его в редакцию научного журнала. Автор этого письма не назвал себя, его фамилия осталась неизвестной.

Электрические машины преобразующие механическую энергию в электрическую называются генераторами. Впоследствии генераторы постоянного тока непрерывно совершенствовались. Потом, когда начали использовать переменный ток они уступили место генераторам переменного тока. Переменный ток в основном вырабатывается генераторами переменного тока. Простой моделью генератора может служить прямоугольная рамка, вращающаяся в магнитном поле. При вращении рамки, магнитный поток пронизывающий площадь поверхности, ограниченную рамкой, меняется по гармоническому закону:

N- число витков.

Возникает ЭДС индукции который меняется по гармоническому закону.

ЭДС индукции в рамке равна:

Если с помощью контактных колец и скользящих по ним щёток соединить концы рамки с электрической цепью, то в цепи возникнет переменный ток.

В современной энергетике для производства электроэнергии используются электромеханические индукционные генераторы. Принцип действия таких генераторов основан на явлении электромагнитной индукции. Основными частями генератора являются статор и ротор. Неподвижная часть генератора называется статором, а вращающаяся – ротором.

Постоянный ток не может идти по цепи содержащей конденсатор, т. к. цепь оказывается разомкнутой. При включении конденсатора в цепь переменного тока конденсатор будет периодически заряжаться и разряжаться с частотой равной частоте приложенного напряжения. В результате периодически меняющихся процессов зарядки и разрядки конденсатора в цепи течет переменный ток. Лампа накаливания, включенная в цепь переменного тока последовательно с конденсатором кажется горящей непрерывно, т.к. при высокой частоте колебаний силы тока человеческий глаз не способен заметить периодического ослабления нити накала. Конденсатор оказывает сопротивление прохождению тока. Это сопротивление называют ёмкостным.

Величину Х_C, обратную произведению циклической частоты на электрическую ёмкость конденсатора называют ёмкостным сопротивлением.

Ёмкостное сопротивление не является постоянной величиной. Мы видим, что конденсатор оказывает бесконечно большое сопротивление постоянному току. Чем больше ёмкость конденсатора и частота колебаний, тем больше ток перезарядки. При наличии в цепи переменного тока конденсатора колебания силы тока опережают по фазе колебания напряжения конденсаторе на 90º. Сдвиг фазы колебаний силы тока на 90º относительно фазы колебания напряжения на конденсаторе приводит к тому, что мощность переменного тока в течение одной четверти периода имеет положительный знак, а в течение второй четверти – отрицательный. Поэтому среднее значение мощности за период равно нулю.

Индуктивность в цепи, так же, как и ёмкость, влияет на силу переменного тока. Объясняется это явлением самоиндукции. В любом проводнике, по которому протекает переменный ток, возникает ЭДС самоиндукции. При подключении катушки к источнику постоянного напряжения сила тока в цепи нарастает постепенно. Возникающее при этом вихревое электрическое поле тормозит движение электронов. Лишь спустя некоторое время сила тока достигает максимального значения, соответствующего данному постоянному напряжению. Если напряжение быстро меняется, то сила тока не будет успевать достигать тех значений, которые она приобрела бы при постоянном напряжении. Следовательно, максимальное значение силы переменного тока ограничивается индуктивностью цепи и его частотой колебаний.

Величину Х_L, равную произведению циклической частоты на индуктивность, называют индуктивным сопротивлением.

Если частота равна нулю, то индуктивное сопротивление тоже равно нулю. Поэтому постоянный ток как бы не «замечает» катушку индуктивности в цепи.

Колебания напряжения на катушке опережают по фазе колебания силы тока на 90º.

Сдвиг фазы колебаний приводит к тому, что средняя мощность за период колебаний равна нулю.

Генератор на транзисторе используется для создания высокочастотных электромагнитных колебаний.

Для потребления электрической энергии нужно доставить его от источника к потребителю. Для этого строят линии электропередачи. При передаче электроэнергии на расстояние возникают потери энергии вследствие нагревания проводов. Тепловые потери можно определить используя закон Джоуля – Ленца:

Из этой формулы следует, что для уменьшения потерь энергиинужно уменьшить сопротивление или повысить напряжение. Уменьшения сопротивления проводов ЛЭП требует увеличения их площади поперечного сечения, что приведет к увеличению массы проводов. Увеличение массы проводов связано с большими расходами на укрепление столбов линии электропередачи, для их удержания и на производство металла для них. Наиболее эффективным является увеличение напряжения.

Для изменения напряжения в сети используют трансформаторы. Трансформатор был изобретен в 1876 году Яблочковым и в 1882 году усовершенствован Усагиным. Простейший трансформатор состоит из двух катушек, надетых на общий замкнутый стальной сердечник. Эти катушки называются обмотками трансформатора. Обмотка трансформатора, подключаемая к источнику переменного напряжения, называют первичной, а другая к которой присоединяют нагрузку – вторичной. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в трансформаторе возникает переменное магнитное поле. Это поле пронизывает обе обмотки и в них возникает вихревое электрическое поле, которое действуя на заряженные частицы во вторичной обмотке способствует возникновению в ней переменного напряжения.

Величина равная отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора называют коэффициентом трансформации. Его обозначают буквой «k».

k– коэффициент трансформации.

U₁ и_{U2 – напряжения на первичной и на вторичной обмотке.}

N₁ и _{N2– число витков на первичной и на вторичной обмотке.}

Если k < 1 – трансформатор повышающий,

k > 1 – трансформатор понижающий.

КПД трансформатора равен отношению мощности в нагрузке к мощности, подаваемой из сети на первичную обмотку:

Для передачи электроэнергии на расстояние напряжение повышают с помощью трансформатора, а для потребления – понижают. В массивных проводниках при изменении магнитного поля возникают индукционные токи (токи Фуко), которые нагревают проводник. Чтобы эти индукционные токи не нагревали сердечник трансформатора его делают не сплошным, а из отдельных пластин, скрепленных вместе.

Закон Ома гласит: значение тока в цепи переменного тока прямо пропорционально напряжению в цепи и обратно пропорционально полному сопротивлению цепи.

Из формулы закона Ома для переменного тока мы видим, что при постоянной амплитуде напряжения, амплитуда силы тока зависит от частоты. Амплитуда силы тока будет максимальной, если полное сопротивление минимально. Полное сопротивление цепи минимально при равенстве индуктивного и ёмкостного сопротивления. В этом заключается условие возникновения резонанса в электрической цепи.

Резонанс в электрической цепи – это явление резкого возрастания амплитуды колебаний силы тока в контуре при совпадении частоты вынужденных колебаний с частотой собственных колебаний контура.

 Явление резонанса широко используется в радиотехнике, в схемах настройки радиоприемников. Меняя электроемкость конденсатора в колебательном контуре можно настроить его на нужную волну, т.е. выделить частоту на которой работает передающая станция

Разбор тренировочных заданий

1. Каково амплитудное значение ЭДС, возникающей в рамке из 50 витков, если она вращается с циклической частотой 180 рад/с в магнитном поле индукцией 0,4 Тл? Площадь рамки 0,02 м².

Дано:

N=50

ω=180 рад/с

B=0,4 Тл

S=0,02 м²

_________

Ԑ_m=?

Решение:

Ответ: 72 В.

2. Катушка с индуктивностью 0,08 Гн присоединена к источнику переменного тока частотой 1000 Гц. При этом вольтметр показывает 100 В. Определить амплитуду тока в цепи. Ответ округлить до десятых.

Дано:

L=0,08 Гн

ν= 1000 Гц

U=100 В

__________

I_m=?

Решение:

Напишем закон Ома для переменного тока

Т.к. Х_C и R равны нулю, то

Учитывая, что , получаем:

Найдем амплитудное значение напряжения:

Подставим числовые данные в формулу для расчета амплитуды силы тока:

Ответ: I_m = 0,3 А.

Конденсатор | Класс робототехники

Электрический конденсатор (англ. capacitor) — это устройство, которое может накапливать электрический заряд и хранить его некоторое время. Конденсаторы можно найти практически в любом электронном устройстве. Они бывают разных типов и размеров.

На электрических схемах конденсаторы обозначают двумя параллельными черточками. При этом, у полярных конденсаторов около положительного электрода дополнительно ставится плюсик.

Для чего нужен конденсатор?

У этого прибора есть множество применений. Мы не будем перечислять их все, отметим лишь некоторые.

1) Фильтрация пульсаций в цепях питания. Конденсаторы часто ставят на входе и выходе преобразователей напряжения, на входе питания микросхем. В этом случае конденсаторы служат своего рода амортизаторами, которые могут сгладить неровности напряжения, подобно амортизаторам автомобиля, сглаживающим неровности дороги.

2) Времязадающие электрические цепи. Конденсаторы разной ёмкости заряжаются и разряжаются за разное время. Эту особенность используют в устройствах, где необходимо отсчитывать определенные промежутки времени. Например, с помощью резистора и конденсатора задается период и скважность импульса в микросхеме таймера 555 (урок про таймер 555).

3) Датчики прикосновения. В роли одной из обкладок конденсатора может выступить человек. Эту особенность нашего тела используют в своей работе сенсорные кнопки, тачскрины и тачпады некоторых видов.

4) Хранение данных. Конденсаторы применяются для хранения данных в оперативной памяти — ОЗУ (SRAM). Каждый модуль такой памяти содержит миллиарды отдельных конденсаторов, которые могут быть заряжены или разряжены, что интерпретируется как единица или ноль.

И это далеко не все варианты применения этого незаменимого прибора. Попробуем разобраться, как устройство конденсатора позволяет ему выполнять столько полезных функций!

Устройство простейшего конденсатора

Конденсатор состоит их двух металлических пластин — электродов, называемых также обкладками, между которыми находится тонкий слой диэлектрика.

Собственно, все конденсаторы устроены именно таким (или почти таким) образом, разве что меняется материал обкладок и диэлектрика.

Чтобы увеличить ёмкость конденсатора, не увеличивая его размеры, применяют разные хитрости. Например, если мы возьмем две обкладки в виде длинных полосок фольги, проложим между ними хотя бы тот же полиэтилен и свернем все это как рулет, то получится очень компактный прибор с большой ёмкостью. Именно так устроены плёночные конденсаторы.

Если вместо полиэтилена взять бумагу и пропитать её электролитом, то на поверхности фольги образуется тонкий слой оксида, который не проводит ток. Такой конденсатор будет называться электролитическим.

Существует много разных видов конденсаторов: бумажные, плёночные, оксидные алюминиевые и танталовые, вакуумные и т.п. В нашем уроке мы будем использовать оксидные электролитические конденсаторы из-за их большой ёмкости и доступности.

Полярные и неполярные конденсаторы

Очень важным является разделение конденсаторов на полярные и неполярные.

Приборы на основе оксидов: электролитические алюминиевые и танталовые обычно являются полярными, а значит если перепутать их полярность — они выйдут из строя. Причём этот выход из строя будет сопровождаться бурной электрохимической реакций вплоть до взрыва конденсатора.

На полярных конденсаторах всегда имеется маркировка. Как правило на электролитических конденсаторах на корпусе контрастной полосой отмечается отрицательный вывод (катод), у танталовых (в желтых прямоугольных корпусах) полоской помечается положительный вывод (анод). Если есть сомнения в маркировке, то лучше найти документацию на этот конденсатор и убедиться.

Неполярные же конденсаторы можно включать в цепь какой угодно стороной. К примеру, многослойные керамические конденсаторы — неполярные.

Ёмкость и напряжение конденсатора

Теперь обратим внимание на две важные характеристики конденсатора: ёмкость и номинальное напряжение.

Ёмкость конденсатора характеризует способность конденсатора накапливать заряд. Это как ёмкость банки, в которой хранится, к примеру, вода. Кстати, не зря одним из первых электрических конденсаторов была так называемая Лейденская банка. Она представляла собой обыкновенную стеклянную посуду, снаружи обмотанную фольгой. В банку была налита токопроводящая жидкость — электролит. Фольга и электролит играли роль обкладок, а стекло банки служило тем самым диэлектрическим барьером.

Ёмкость электрического конденсатора измеряют в фарадах. В схемах ёмкость обозначают латинской буквой C. Как правило, ёмкость классических конденсаторов варьируется от нескольких пикофарад (пФ) до нескольких тысяч микрофарад (мкФ). Ёмкость указывается на корпусе конденсатора. Если единицы не указаны — то это пикофарады. Микрофарады часто обозначают как uF — так как буква u внешне похожа на греческую букву мю, которую используют вместо приставки микро.

Существует и особый вид конденсаторов, называемых ионисторами (англ. supercapacitor), которые имеют ёмкость в несколько фарад!  Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше энергии в нём может храниться и тем дольше он заряжается, при прочих равных условиях.

Номинальное напряжение — второй важный параметр. Это такое напряжение, при котором конденсатор будет работать весь срок службы без критичного изменения своих параметров. Нельзя применять в 12-вольтовой цепи конденсатор на 6 вольт — он быстро выйдет из строя.

Именно эти два параметра обычно наносят на поверхность корпуса конденсатора. На фотографии ниже изображён электролитический конденсатор ёмкостью 470 мкФ и номинальным напряжением 16 Вольт.

А вот на керамических конденсаторах часто указывают только ёмкость. На картинке ниже конденсатор имеет маркировку 104. Что бы это значило?

Последняя цифра в этом коде — количество нулей после двухзначного числа в начале. 104 = 10 0000 пФ = 100 нФ = 0,1 мкФ

Параллельное и последовательное подключение конденсаторов

Как и в случае резисторов, конденсаторы можно составлять в цепочки. Это бывает нужно, когда в схеме необходима какая-то конкретная ёмкость, а у вас нет такого конденсатора.

Параллельное подключение

В отличие от резисторов, при параллельном подключении конденсаторов их ёмкости складываются. Например, если нам нужно получить ёмкость 3000 мкФ, а у нас есть два конденсатора по 1000 мкФ, и 10 штук по 100 мкФ, смело ставим их параллельно и получаем: 1000*2+100*10 = 2000 + 1000 = 3000 мкФ

Последовательно подключение

При последовательном подключении конденсаторы ведут себя как резисторы, соединённые параллельно. Например, посчитаем суммарную ёмкость двух конденсаторов на 100 мкФ, соединённых последовательно:

Суммарная ёмкость Ctot = 50 мкФ.

Заряд и разряд конденсатора — RC-цепочка

Теперь разберёмся с процессами, происходящими внутри конденсатора во время заряда и разряда. Для этого рассмотрим самую простую электрическую цепь с конденсатором. С левой стороны схемы подключим источник питания. Сверху разместим ключ и резистор, а справа сам конденсатор. Участок цепи, на котором есть конденсатор и резистор называют RC-цепью.

При замыкании ключа, в такой цепи образуется электрический ток, сила которого зависит от сопротивления резистора и внутреннего сопротивления самого конденсатора. Заряженные частицы устремятся к конденсатору, но не смогут преодолеть слой диэлектрика (по крайней мере все разом). Вследствие чего, с одной стороны конденсатора накопятся отрицательно заряженные частицы, а с другой стороны — положительно заряженные. Концентрация заряженных частиц на обкладках создаст мощное электрическое поле между ними.

С течением времени, напряжение на конденсаторе растет, а сила тока падает. После завершения процесса заряда, ток в цепи упадет почти до нуля. Останется только очень маленький ток утечки, который образуется благодаря тому, что некоторым заряженным частицам всё же удается проскочить через слой диэлектрика. Напряжение, напротив, станет практически равным напряжению источника.

Когда мы отключим конденсатор от источника питания, этот самый ток утечки постепенно разрядит конденсатор. Эта особенность электрических конденсаторов не даёт нам сделать из них контейнер для длительного хранения энергии. Хотя частично эту проблему решают ионисторы.

Резистор и время заряда конденсатора

Зачем в цепи нужен резистор? Что на мешает подключить его напрямую к источнику? Тому есть две причины.

Резистор ограничивает ток, протекающий через конденсатор. Чем меньше заряженных частиц за единицу времени прибывает в конденсатор, тем больше времени для заряда ему потребуется.

Конденсатор заряжается и разряжается по экспоненциальному закону. Зная это, мы можем легко рассчитать время заряда/разряда в зависимости от его ёмкости и от сопротивления резистора.

По картинке можно понять, что за время T конденсатор заряжается на 63,2%. А вот за время 3T уже на 95%. Время T здесь равно произведению ёмкости конденсатора C на сопротивление R, последовательно соединенного резистора:

Например, у нас есть конденсатор ёмкостью 100 мкФ, соединенный с резистором 1 кОм. Посчитаем за сколько секунд он зарядится хотя бы до 95%:

Теперь умножаем это на 3 и получаем 3T = 0,3 секунды — за такое время конденсатор почти полностью будет заряжен.

Таким образом, меняя ёмкость конденсатора и резистора мы можем управлять временем его заряда, что нам ещё пригодится в будущем.

Вторая важная причина, по которой в цепи присутствует резистор — защита источника питания. Дело в том, что разряженные конденсаторы имеют очень низкое внутреннее сопротивление, которое составляет доли Ома. По сути, их можно рассматривать как обычные проводники. А что будет, если замкнуть выводы питания проводником? Будет короткое замыкание! Такой режим работы цепи является аварийным для источника питания, и его нужно всячески избегать.

Плавное выключение светодиода при помощи конденсатора

Проведем небольшой опыт. Для этого соберем на макетной плате цепь с кнопкой, конденсатором и светодиодом. В качестве источника питания используем контакты питания Ардуино Уно.

Принципиальная схема

Внешний вид макета

Подключим Ардуино  к питанию. Затем, нажмем кнопку и светодиод практически мгновенно загорится. Отпустим кнопку — светодиод медленно начнет гаснуть. Почему так происходит?

Сразу после подключения нашей схемы к источнику питания, в ней начинают происходит интересные процессы.

Как уже говорилось ранее, пока конденсатор пустой, ток через него максимален. Следовательно, конденсатор начинает стремительно набирать заряд. При этом светодиоду, который подключен параллельно, ничего не достается 🙁 Напряжение на нем близко к нулю.

С течением времени конденсатор насыщается, благодаря чему ток начинает постепенно переходить в параллельную цепь — через светодиод. Напряжение на светодиоде начинает расти. Наступает момент, когда напряжение на светодиоде принимает критическое значение (для красного светодиода около 1,8 В), при котором он стремительно отбирает остатки тока у конденсатора и вспыхивает!

Когда мы отпускаем кнопку, ситуация становится гораздо проще. Конденсатор становится источником питания для светодиода с резистором. Светодиод начинает медленно высасывать заряд из конденсатора, пока тот не разрядится. Тут мы и наблюдаем медленно угасание.

Меняя сопротивление R1, мы можем влиять на скорость вспыхивания светодиода. Однако, следует учитывать, что увеличивая R1 мы будем снижать ток в цепи, тем самым уменьшая максимальный заряд конденсатора и яркость светодиода.

Увеличивая C1, мы получим более длительное время работы светодиода после выключения источника. Это как поставить более ёмкую батарейку.

Наконец, меняя R2 можно регулировать яркость светодиода, и соответственно, время его работы. Ведь чем меньше тока мы забираем из конденсатора, тем на большее время его хватит.

К размышлению

Итак, мы познакомились с конденсатором — интересным и порой опасным жителем любой электронной платы. В следующих уроках уделим внимание резистору и индуктивности, а также более сложному их собрату — транзистору.

Вконтакте

Facebook

Twitter

У конденсаторов повышают уровень напряжения

Конденсаторы не повышают напряжение. Схема, способная делать это с использованием диодов, также называется схемой умножителя напряжения. Сами конденсаторы не способны повышать напряжение.

Конденсаторы накапливают энергию или действуют как блокаторы постоянного тока. Конденсаторы могут быть сконструированы в схемах, увеличивающих напряжение (как удвоитель), но сам конденсатор не будет увеличивать напряжение.

Энергетические компании используют конденсаторы для регулирования напряжения в своих первичных распределительных цепях, при этом батарея отключается и улучшает коэффициент мощности цепи, что снижает токи, что увеличивает напряжение.

это зависит. они добавляют основной компонент реактивной мощности к цепям переменного тока, который может привести реактивное напряжение в соответствие по фазе с кажущимся напряжением, тем самым позволяя индуктивным нагрузкам работать более эффективно. в цепи постоянного тока подключение заряженного конденсатора в качестве источника питания обеспечит потенциал конденсатора в качестве напряжения питания. это будет уменьшаться со временем по мере разряда конденсатора.

Влияние конденсатора на напряжение может иметь следующие причины:

Конденсатор накапливает энергию на выходе выпрямителя постоянного тока для обеспечения выходной стороны, когда напряжение переменного тока падает ниже пикового значения.это среднее выходное напряжение увеличивается.

В промышленных установках индуктивная реактивная мощность машин и сектора уменьшается с добавлением конденсаторов, что снижает общую мощность и потери в линии. Это снижает падение напряжения на кабелях и увеличивает напряжение на нагрузке.

На коммунальных предприятиях и линиях передачи индуктивная составляющая тока вдоль линии уменьшается за счет подачи основной мощности, доступной на приемном конце. Это снижает падение напряжения на линиях передачи и силовых кабелях, увеличивая напряжение на приемном конце.

Добавление конденсатора на разных уровнях, от генерации до передачи и распределения, улучшает регулирование напряжения, что позволяет получить стабильное вакуумное напряжение при полной нагрузке.

мы можем получить намного более высокое напряжение, чем проектный источник питания, используя последовательную комбинацию индуктивных конденсаторов. тогда напряжение на индуктивности и конденсаторе по отдельности больше, чем напряжение питания.

Конденсаторы повышают уровень напряжения?

Нет конденсатора не увеличивает напряжение.но их можно использовать во многих схемах, которые создают выходное напряжение выше, чем входное.

Конденсаторы – это накопители энергии. они хранят энергию в виде статического заряда на параллельных пластинах. они выглядят как батарея очень малой емкости, которая может заряжаться и разряжаться очень быстро.

Если вы заряжаете два конденсатора параллельно, подключите их последовательно, чтобы получить удвоенное входное напряжение. схемы, которые делают это автоматически, называются зарядовыми насосами. Удобные насосы заряда обычно имеют много транзисторов и некоторый элемент управления для переключения.но вы можете просмотреть работу вручную с двумя конденсаторами и батареей.

Умножитель напряжения – это форма накачки заряда, в которой вместо транзисторов и цепей управления используется переменный ток и диоды, которые заряжают конденсатор параллельно и разряжают его последовательно. здесь есть другие ответы, которые лучше это объясняют.

, поскольку конденсаторы накапливают энергию, они могут увеличивать кажущееся напряжение в некоторых цепях. Конденсаторы могут снизить пиковую мощность, потребляемую источниками питания, обеспечивая накопленную энергию во время пиковых нагрузок, что может вызвать падение напряжения в источнике питания.конденсатор не способен сам по себе увеличивать напряжение.

Увеличить номинальное напряжение конденсатора, используя несколько конденсаторов?

Вы можете соединить конденсаторы последовательно, но это редко срабатывает лучше, чем сразу установить правильный конденсатор. Как сказал Стивен, две одинаковые конденсаторы, соединенные последовательно, имеют удвоенное номинальное напряжение, но вдвое меньшую емкость.

Вы также должны быть осторожны, чтобы уровень постоянного тока в узле между крышками составлял примерно 1/2 напряжения.Если одна крышка имеет немного большую утечку, чем другая, и это вполне возможно, то средний узел не будет находиться близко к 1/2 пути, и номинальное напряжение одной из крышек будет превышено. Один из способов справиться с этим – создать преднамеренную утечку вокруг каждой крышки, которая значительно превышает их фактическую утечку. Другими словами, поместите резистор на каждую крышку. Сделайте эти резисторы как можно более высокими, но чтобы через них протекал ток утечки в несколько раз больше. Резисторы образуют делитель напряжения, который поддерживает в средней точке примерно 1/2 напряжения.

Однако все это – путаница вокруг вашей исходной проблемы. Вы хотите запитать что-то на 5 В, а у вас есть только шумный источник питания 5 В. Установка на этот источник большой толстой крышки 1 мФ, по-видимому, достаточно ослабляет шум, но есть и другие способы. Какой ток потребляют чувствительные к шуму части вашей схемы? Если он ограничен до 100 или даже 200 мА, то ферритовый «индуктор с микросхемой», включенный последовательно с источником питания, за которым следует керамический колпачок 20 мкФ для заземления, может оказаться всем, что вам нужно.

Вероятно, лучший подход – это создать свои собственные 5 В из более высокого напряжения, которое также есть в Arduino. Я не знаю, на каком напряжении работает Arduino, но где-то в вашей системе должно быть более высокое напряжение с каким-то регулятором, обеспечивающим 5V, которые использует Arduino. Это дает вам больше возможностей для понижения небольшого напряжения в фильтре перед регулятором. Фильтр удаляет высокие частоты из более высокого напряжения, а активная электроника в регуляторе затем обрабатывает оставшиеся низкие частоты.Это должно дать хорошие, чистые 5 В, независимые от Arduino и, следовательно, без шума Arduino. Еще одно преимущество этого заключается в том, что он не перегружает питание 5V Arduino. Я не знаю, сколько у этого источника дополнительных токовых мощностей, но, вероятно, не очень много.

Как увеличить силу тока с помощью конденсаторов и диодов

Конденсаторы – это устройства хранения энергии. После зарядки они накапливают энергию для последующего высвобождения. Поскольку конденсаторы зависят от частоты, они блокируют постоянный ток (DC) и пропускают переменный ток (AC).Конденсаторы напрямую связаны с током: если вы увеличиваете емкость цепи, вы увеличиваете переменный ток. С другой стороны, диоды используются для преобразования переменного тока в постоянный. Когда это происходит, увеличивается постоянный ток.

Повышение силы тока с помощью конденсаторов

Подключите конденсатор последовательно с резистором в вашей цепи, аналогично RC-цепи. Например, RC-цепь состоит из источника напряжения «Vs», подключенного последовательно с резистором «R» и конденсатора «C», подключенного последовательно с резистором.-0,002) = (0,4) (0,998) = 0,3992.

Ток увеличивается при увеличении емкости конденсатора.

Увеличение силы тока с помощью диодов

Решите, где в цепи вы хотите преобразовать переменный ток в постоянный. Обычно это делается у источника тока.

Подключите диод последовательно к источнику тока. Вы делаете это, подключая тыльную сторону или «анод» диода к источнику.

Включите источник переменного тока, и вы увидите постоянный ток на выходе диода.

Основы емкостного сопротивления. | EC&M

Если мы возьмем две металлические пластины, разделим их диэлектриком (изолятором) и приложим постоянное напряжение между пластинами, ток не сможет пройти через диэлектрик. Однако избыток электронов будет накапливаться на пластине, подключенной к отрицательной клемме источника напряжения, и нехватка электронов возникнет на пластине, подключенной к положительной клемме. Источник напряжения будет пытаться прижать электроны к одной пластине (отрицательный вывод) и вытащить их из другой (положительный вывод).

В какой-то момент эти пластины станут полностью насыщенными; никакие дальнейшие электроны не могут быть помещены в отрицательную пластину, и никакие электроны больше не могут быть вытянуты из положительной пластины. В этот момент у пластин есть электрический потенциал, равный потенциалу источника напряжения. Фактически, пластины теперь действуют как второй источник напряжения, один параллельный первому, но с противоположной полярностью. На рис. 1 показана эквивалентная схема. Очевидно, поскольку эти противоположные напряжения равны, они компенсируют друг друга, и ток не может течь между источником напряжения и пластинами в любом направлении.Говорят, что тарелки заряжены.

Что будет, если убрать источник напряжения из цепи? Ответ заключается в том, что пластины останутся заряженными, потому что электронам на отрицательной пластине некуда уйти. Точно так же положительной пластине некуда вытягивать электроны. Фактически, напряжение сохраняется на пластинах. [ИЛЛЮСТРАЦИЯ К РИСУНКУ 2 ОПРЕДЕЛЕНА].

Замена отсутствующего источника напряжения на резистор, как показано на рис. 3, обеспечивает прохождение тока для избыточных электронов, хранящихся на отрицательной пластине, к положительно заряженной пластине.Этот ток будет продолжаться до тех пор, пока обе пластины не вернутся в электрически нейтральное состояние. Это называется разгрузкой пластин.

Такое устройство, как указано выше (две проводящие пластины, разделенные диэлектриком), называется конденсатором. Он используется для хранения электрической энергии. (Примечание: одно время конденсатор назывался конденсатором, но этот термин больше не используется.)

Конденсатор не может удерживать заряд бесконечно. Даже воздух может проводить ток, поэтому заряд будет медленно просачиваться в воздух.Также будет некоторая утечка через диэлектрик. При прочих равных условиях, чем меньше внутренняя утечка, тем лучше конденсатор.

Переменный ток и конденсатор

Что происходит, когда мы подаем переменный ток на конденсатор? Во время первой части цикла, когда напряжение источника увеличивается от нуля, он заряжает пластины конденсатора, как при приложении напряжения постоянного тока, а полярность зарядного конденсатора противоположна полярности напряжения источника.

Конденсатор может быть полностью заряжен или не полностью заряжен к тому времени, когда приложенное напряжение пройдет свое пиковое значение и снова начнет уменьшаться. Это будет зависеть от размера пластин, величины приложенного напряжения и частоты сигнала переменного тока. В любом случае, когда приложенное напряжение уменьшается, точка будет достигнута, когда оно будет меньше заряда, накопленного в конденсаторе. Это позволит конденсатору начать разряжаться через источник переменного напряжения.

Конденсатор может или не может быть полностью разряжен, когда напряжение переменного тока меняет полярность, но поскольку полярность источника такая же, как полярность конденсатора, напряжения помогают, быстро разряжая конденсатор до конца, а затем заряжая его с противоположной полярностью от первоначального заряда.Когда источник переменного напряжения меняет направление, конденсатор снова разряжается, и весь процесс повторяется со следующим циклом формы волны переменного тока.

Пример конденсатора в цепи переменного тока

Давайте посмотрим на рис. 5. Если источником напряжения является постоянный ток, лампа не загорится, потому что постоянный ток не может протекать по цепи; он заблокирован диэлектриком. Фактически, ток «видит» конденсатор как разомкнутую цепь.

Если эта же цепь имеет источник переменного напряжения, лампа загорится, указывая на то, что в цепи протекает переменный ток.Что тут происходит? Вспоминая наше предыдущее обсуждение приложения переменного напряжения, мы знаем, что процесс зарядки, разрядки и перезарядки конденсатора от источника переменного напряжения приводит к такому же эффекту, как если бы ток фактически протекал через сам конденсатор. Более того, если мы уменьшим частоту источника переменного напряжения, лампа потускнеет; если увеличить частоту, лампа будет гореть ярче. Таким образом, конденсатор пропускает больший ток при увеличении частоты напряжения источника.

Емкостное реактивное сопротивление

Как мы видели, переменный ток может протекать по цепи с емкостью. Кажущееся сопротивление конденсатора в цепи переменного тока меньше его сопротивления постоянному току. Это кажущееся сопротивление переменному току называется емкостным реактивным сопротивлением, и его значение уменьшается с увеличением приложенной частоты. Емкостное реактивное сопротивление замедляет напряжение больше, чем ток, поэтому напряжение отстает от тока на 90 градусов (при условии чисто емкостной схемы).

Прежде чем мы сможем говорить об уравнении для расчета емкостного реактивного сопротивления, мы должны знать, как определяется емкость.Базовая единица измерения емкости – фарад (Ф). Если ток 1 А течет при изменении приложенного напряжения со скоростью 1 В в секунду, у нас есть 1 Ф емкости.

С учетом вышеизложенного, емкостное реактивное сопротивление рассчитывается по следующей формуле:

[X.sub.c] = 1 [делится на] 2 [Pi] FC

, где F – частота в герцах, а C – емкость в фарадах.

Обратите внимание, что если источником напряжения является постоянный ток, приложенная частота равна нулю. Таким образом, знаменатель в приведенном выше уравнении равен нулю.Любое число, деленное на ноль, неразрешимо; это равно бесконечности. Бесконечное сопротивление в цепи, конечно, действует как разомкнутая или неполная цепь.

Как работают конденсаторы? – Объясни, что это за штука

Крис Вудфорд. Последнее изменение: 10 июля 2020 г.

Смотрите в небо большую часть дней, и вы увидите огромные конденсаторы парит над твоей головой. Конденсаторы (иногда называемые конденсаторами) устройства хранения энергии, которые широко используются в телевизорах, радиоприемники и другое электронное оборудование.Настройте радио на станции, сделайте снимок со вспышкой с помощью цифрового камеру или щелкни каналов на вашем HDTV, и у вас все хорошо использование конденсаторов. В конденсаторы, которые дрейфуют по небу, более известны как облака и, хотя они совершенно гигантские по сравнению с конденсаторами, которые мы используем в электронике они точно так же накапливают энергию. Давайте принимать подробнее рассмотрим конденсаторы и как они работают!

Фотография: Типичный конденсатор, используемый в электронных схемах. Этот называется электролитическим конденсатором и имеет рейтинг 4.7 мкФ (4,7 мкФ), с рабочим напряжением 350 вольт (350 В).

Что такое конденсатор?

Фото: Маленький конденсатор в транзисторной радиосхеме.

Возьмем два электрических провода (то, что пропускает электричество через них) и разделите их изолятором (материал тот не пропускает электричество очень хорошо) и вы делаете конденсатор: то, что может хранить электрическую энергию. Добавление электроэнергии к конденсатору называется зарядка ; высвобождая энергию из конденсатор известен как разрядный .

Конденсатор немного похож на батарею, но у него другая работа делать. Батарея использует химические вещества для хранения электрической энергии и высвобождения это очень медленно через цепь; иногда (в случае кварца смотреть) это может занять несколько лет. Конденсатор обычно высвобождает это энергия намного быстрее – часто за секунды или меньше. Если вы берете например, снимок со вспышкой, вам понадобится камера, чтобы огромная вспышка света за долю секунды. Конденсатор прилагается к вспышке заряжается в течение нескольких секунд, используя энергию вашего аккумуляторы фотоаппарата.(Для зарядки конденсатора требуется время, и это почему обычно приходится немного подождать.) Как только конденсатор полностью заряжен, он может высвободить всю эту энергию. в мгновение ока через ксеноновую лампочку-вспышку. Зап!

Конденсаторы

бывают всех форм и размеров, но обычно они те же основные компоненты. Есть два проводника (известные как пластины, , в основном по историческим причинам) и между ними есть изолятор. их ( называют диэлектриком ). Две пластины внутри конденсатора подключены к двум электрическим соединения на внешней стороне называются клеммами , которые похожи на тонкие металлические ножки можно подключить в электрическую цепь.

Фото: Внутри электролитический конденсатор немного похож на швейцарский рулет. «Пластины» – это два очень тонких листа металла; диэлектрик – масляная пластиковая пленка между ними. Все это упаковано в компактный цилиндр и покрыто металлическим защитным футляром. ВНИМАНИЕ: вскрытие конденсаторов может быть опасным. Во-первых, они могут выдерживать очень высокое напряжение. Во-вторых, диэлектрик иногда состоит из токсичных или едких химикатов, которые могут обжечь кожу.

Изображение: как электролитический конденсатор изготавливается путем скатывания листов алюминиевой фольги (серого цвета) и диэлектрического материала (в данном случае бумаги или тонкой марли, пропитанной кислотой или другим органическим химическим веществом).Листы фольги подключаются к клеммам (синим) наверху, поэтому конденсатор можно подключить в цепь. Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США из патента США 2089683: Электрический конденсатор Фрэнка Кларка, General Electric, 10 августа 1937 г.

Вы можете зарядить конденсатор, просто подключив его к электрическая цепь. При включении питания электрический заряд постепенно накапливается на пластинах. Одна пластина получает положительный заряд а другая пластина получает равный и противоположный (отрицательный) заряд.Если вы отключаете питание, конденсатор держит заряд (хотя со временем он может медленно вытекать). Но если подключить конденсатор ко второй цепи, содержащей что-то вроде электрического электродвигателя или лампочки-вспышки, заряд будет стекать с конденсатора через двигатель или лампу, пока на пластинах не останется ничего.

Хотя конденсаторы фактически выполняют только одну работу (хранение заряда), их можно использовать для самых разных целей в электротехнике. схемы. Их можно использовать в качестве устройств отсчета времени (потому что для этого требуется определенное предсказуемое количество времени для их зарядки), как фильтры (схемы, которые пропускают только определенные сигналы), для сглаживания напряжение в цепях, для настройки (в радиоприемниках и телевизорах), а также для множество других целей.Большие суперконденсаторы также могут быть используется вместо батареек.

Что такое емкость?

Количество электрической энергии, которую может хранить конденсатор, зависит от его емкость . Емкость конденсатора немного похожа на размер ведра: чем больше ведро, тем больше воды оно может вместить; чем больше емкость, тем больше электричества может выдержать конденсатор. хранить. Есть три способа увеличить емкость конденсатор. Один из них – увеличить размер тарелок.Другой – сдвиньте пластины ближе друг к другу. Третий способ – сделать диэлектрик как можно лучше изолятор. Конденсаторы используют диэлектрики из всевозможных материалов. В транзисторных радиоприемниках настройка осуществляется большим переменным конденсатором , который между пластинами нет ничего, кроме воздуха. В большинстве электронных схем конденсаторы представляют собой герметичные компоненты с диэлектриками из керамики такие как слюда и стекло, бумага, пропитанная маслом, или пластмассы, такие как майлар.

Фото: Этот переменный конденсатор прикреплен к главной шкале настройки в транзисторном радиоприемнике.Когда вы поворачиваете циферблат пальцем, вы поворачиваете ось, проходящую через конденсатор. Это вращает набор тонких металлических пластин, так что они перекрываются в большей или меньшей степени с другим набором пластин, продетых между ними. Степень перекрытия пластин изменяет емкость, и именно это настраивает радио на определенную станцию.

Как измерить емкость?

Размер конденсатора измеряется в единицах, называемых фарад (F), названный в честь английского пионера электротехники Майкла Фарадея (1791–1867).Один фарад – это огромная емкость так что на практике большинство конденсаторов, с которыми мы сталкиваемся, просто доли фарада – обычно микрофарады (миллионные доли фарада, пишется мкФ), нанофарады (тысячные доли фарада, написанные нФ), и пикофарады (миллионные доли фарада, написано пФ). Суперконденсаторы хранят гораздо большие заряды, иногда оценивается в тысячи фарадов.

Почему конденсаторы накапливают энергию?

Если вы находите конденсаторы загадочными и странными, и они на самом деле не имеют для вас смысла, вместо этого попробуйте подумать о гравитации.Предположим, вы стоите у подножия ступенек. и вы решаете начать восхождение. Вы должны поднять свое тело против земного притяжения, которая является притягивающей (тянущей) силой. Как говорят физики, чтобы подняться, нужно «работать». лестница (работать против силы тяжести) и использовать энергию. Энергия, которую вы используете, не теряется, но хранится в вашем теле в виде гравитационной потенциальной энергии, которую вы могли бы использовать для других целей (например, спуск вниз по горке на уровень земли).

То, что вы делаете, когда поднимаетесь по ступеням, лестницам, горам или чему-либо еще, работает против Земли. гравитационное поле.Очень похожая вещь происходит с конденсатором. Если у вас есть положительный электрический заряд и отрицательный электрический заряд, они притягиваются друг к другу, как противоположное полюса двух магнитов – или как ваше тело и Земля. Если вы их разделите, вам придется «поработать» против этого электростатического заряда. сила. Опять же, как и при подъеме по ступенькам, энергия, которую вы используете, не теряется, а накапливается зарядами, когда они отдельный. На этот раз она называется электрической потенциальной энергией . И это, если вы не догадались к настоящему времени это энергия, которую накапливает конденсатор.Две его пластины содержат противоположные заряды и разделение между ними создает электрическое поле. Вот почему конденсатор накапливает энергию.

Почему у конденсаторов две пластины?

Фото: Очень необычный регулируемый конденсатор с параллельными пластинами, который Эдвард Беннетт Роза и Ноа Эрнест Дорси из Национального бюро стандартов (NBS) использовали для измерения скорости света в 1907 году. Точное расстояние между ними. пластины можно регулировать (и измерять) с помощью микрометрического винта.Фото любезно предоставлено Национальным институтом стандартов и технологий цифровых коллекций, Гейтерсбург, Мэриленд 20899.

Как мы уже видели, конденсаторы имеют две токопроводящие пластины. разделены изолятором. Чем больше тарелки, тем ближе они являются, и чем лучше изолятор между ними, тем больше заряда конденсатор можно хранить. Но почему все это правда? Почему бы и нет у конденсаторов только одна большая пластина? Попробуем найти простой и удовлетворительное объяснение.

Предположим, у вас есть большой металлический шар, установленный на изоляционном деревянная подставка.Вы можете хранить определенное количество электрического заряда на сфера; чем он больше (чем больше радиус), тем больше заряда вы можете хранить, и чем больше заряда вы храните, тем больше потенциал (напряжение) сферы. Однако в конце концов вы достигнете точка, в которой, если вы добавите хотя бы один дополнительный электрон ( наименьшая возможная единица заряда) конденсатор перестанет работать. Воздух вокруг него разрушится, превратившись из изолятора в проводник: заряд будет лететь по воздуху на Землю (землю) или другой ближайший проводник в виде искры – электрического тока – в мини заряд молнии.Максимальный заряд, который вы можете хранить на сфера – это то, что мы подразумеваем под ее емкостью. Напряжение (В), заряд (Q) и емкость связаны очень простым уравнением:

C = Q / V

Таким образом, чем больше заряда вы можете сохранить при данном напряжении, не вызывая воздух для разрушения и искры, тем выше емкость. Если бы ты мог как-то хранить больше заряда на сфере, не доходя до точки там, где вы создали искру, вы бы эффективно увеличили ее емкость. Как ты мог это сделать?

Забудьте о сфере.Предположим, у вас есть плоская металлическая пластина с максимально возможный заряд, хранящийся на нем, и вы обнаружите, что пластина находится на определенное напряжение. Если вы поднесете вторую идентичную тарелку близко к это, вы обнаружите, что можете хранить гораздо больше заряда на первой пластине для такое же напряжение. Это потому, что первая пластина создает электрический поле вокруг него, которое “индуцирует” равный и противоположный заряд на второй тарелке. Таким образом, вторая пластина снижает напряжение. первой пластины. Теперь мы можем хранить больше заряда на первой пластине не вызывая искры.Мы можем продолжать делать это, пока не достигнем исходное напряжение. С большим запасом заряда (Q) точно так же напряжение (В), уравнение C & равно; Q / V сообщает нам, что мы увеличили емкость нашего устройства накопления заряда, добавив вторую пластину, и именно поэтому конденсаторы имеют две пластины, а не одну. На практике дополнительная пластина дает огромную разницу в , что Вот почему все конденсаторы на практике имеют две пластины.

Как увеличить емкость?

Интуитивно очевидно, что если вы сделаете тарелки больше, вы сможете хранить больше заряда (так же, как если бы вы сделали шкаф больше, вы можете набить больше вещи внутри него).Так что увеличение площади пластин тоже увеличивает емкость. Менее очевидно, если мы уменьшим расстояние между пластинами, что также увеличивает емкость. Это ведь чем короче расстояние между пластинами, тем больше эффект пластины располагаются одна на другой. Вторая тарелка, будучи ближе, еще больше снижает потенциал первой пластины, и это увеличивает емкость.

Изображение: диэлектрик увеличивает емкость конденсатора за счет уменьшения электрического поле между пластинами, что снижает потенциал (напряжение) каждой пластины.Это означает, что вы можете хранить больше заряд на пластинах при одинаковом напряжении. Электрическое поле в этом конденсаторе исходит от положительной пластины. слева к отрицательной пластине справа. Поскольку противоположные заряды притягиваются, полярные молекулы (серые) диэлектрика выстраиваются в линию в противоположном направлении – и это то, что уменьшает поле.

Последнее, что мы можем сделать, чтобы увеличить емкость, – это изменить диэлектрик (материал между пластинами). Воздух работает неплохо, но другие материалы даже лучше.Стекло как минимум в 5 раз больше эффективнее воздуха, поэтому самые ранние конденсаторы (Leyden банки, используя обычное стекло в качестве диэлектрика) работали так хорошо, но это тяжело, непрактично, и его трудно втиснуть в небольшие помещения. Вощеный бумага примерно в 4 раза лучше воздуха, очень тонкая, дешевая, легко изготавливать крупными кусками и легко скатывать, что делает его отличным, практический диэлектрик. Лучшие диэлектрические материалы сделаны из полярных молекулы (с более положительным электрическим зарядом на одной стороне и с другой стороны, больше отрицательного электрического заряда).Когда они сидят в электрическое поле между двумя пластинами конденсатора, они совпадают со своими заряды направлены напротив поля, что эффективно его уменьшает. Это снижает потенциал на пластинах и, как и раньше, увеличивает их емкость. Теоретически вода, состоящая из крошечных полярные молекулы, будут отличным диэлектриком, примерно в 80 раз лучше воздуха. На практике, правда, не все так хорошо (протекает и высыхает и превращается из жидкости в лед или пар при относительно умеренные температуры), поэтому в реальных конденсаторах он не используется.

Диаграмма: Различные материалы делают диэлектрики лучше или хуже в зависимости от того, насколько хорошо они изолируют пространство между пластинами конденсатора и уменьшают электрическое поле между ними. Измерение, называемое относительной диэлектрической проницаемостью, говорит нам, насколько хорошим будет диэлектрик. Вакуум является наихудшим диэлектриком, и его относительная диэлектрическая проницаемость равна 1. Другие диэлектрики измеряются относительно (путем сравнения) с вакуумом. Воздух примерно такой же. Бумага примерно в 3 раза лучше.Спирт и вода, которые имеют полярные молекулы, являются особенно хорошими диэлектриками.

Заряд, разделение пластин и напряжение

Dynamics Track Наклонная плоскость Импульс Конденсатор Пластина Sep Пластина Sep / Volt Диэлектрики Цепи Закон сопротивления Последовательный / параллельный Wave Tank Частота / длина волны Two Pt Interf. Оптическая скамья Рефракция Фокусное расстояние

Конденсатор с параллельными пластинами Заряд конденсаторов, разделение пластин и напряжение Конденсатор используется для хранения электрического заряда. Чем большее напряжение (электрическое давление) вы прикладываете к конденсатору, тем больше заряда нагнетается в конденсатор. Кроме того, чем большей емкостью обладает конденсатор, тем больший заряд будет вызван данным напряжением.Это соотношение описывается формулой q = CV, где q – накопленный заряд, C – емкость, а V – приложенное напряжение. Глядя на эту формулу, можно спросить, что бы произошло, если бы заряд оставался постоянным, а емкость изменялась. Ответ, разумеется, таков, что напряжение изменится! Это то, что вы будете делать в этой лаборатории. Лабораторный конденсатор Конденсатор с параллельными пластинами – это устройство, используемое для изучения конденсаторов.Это сводит к минимуму функцию конденсатора. Конденсаторы в реальном мире обычно скручены по спирали в небольших корпусах, поэтому конденсатор с параллельными пластинами значительно упрощает привязку функции к устройству. Этот конденсатор работает, накапливая противоположные заряды на параллельных пластинах, когда напряжение подается с одной пластины на другую. Количество заряда, который перемещается в пластины, зависит от емкости и приложенного напряжения в соответствии с формулой Q = CV, где Q – заряд в кулонах, C – емкость в фарадах, а V – разность потенциалов между пластинами в вольт. Конденсаторы накапливают энергию Если напряжение подается на конденсатор, а затем отключается, заряд, накопленный в конденсаторе, сохраняется до тех пор, пока конденсатор каким-либо образом не разрядится. Между пластинами возникает электрическое поле, которое позволяет конденсатору накапливать энергию. Это один из полезных аспектов конденсаторов, способность накапливать энергию в электрическом поле, чтобы ее можно было использовать позже. От чего зависит емкость? Количество заряда, которое может храниться на один приложенный вольт, определяется площадью поверхности пластин и расстоянием между ними.Чем больше пластины и чем ближе они расположены, тем больше заряда может храниться на каждый вольт разности потенциалов между пластинами. Заряд, накопленный на приложенный вольт, представляет собой емкость, измеряемую в фарадах. Может ли изменение емкости заряженного конденсатора изменить его напряжение? Лабораторный конденсатор можно регулировать, поэтому мы можем провести интересный эксперимент с емкостью и напряжением. Если конденсатор имеет постоянный заряд, изменение емкости должно вызвать изменение напряжения.Раздвигание пластин приведет к уменьшению емкости, поэтому напряжение должно увеличиться. Как можно математически определить емкость нашего конденсатора? Для конденсатора с параллельными пластинами емкость определяется по следующей формуле: С = ε 0 А / сут Где C – емкость в Фарадах, ε 0 – постоянная диэлектрической проницаемости свободного пространства (8,85×10 -12), A – площадь пластин в квадратных метрах, а d – расстояние между пластинами в метрах. Фарада – это очень большая величина емкости, поэтому мы будем использовать метрические префиксы для получения более удобных чисел. Емкость обычно измеряется в микрофарадах (мкФ), что составляет 1,0×10 -6F или пикофарадах (пФ), что составляет 1,0×10 -12F. 1.0F = 1,000,000 мкФ = 1,000,000,000,000 пФ! Будьте очень внимательны с расчетами! Этот расчет даст вам приблизительное значение емкости лабораторного конденсатора. Однако есть и другие факторы, которые вносят ошибки в реальные измерения емкости и напряжения.Вам нужно внимательно учитывать эти факторы. Лабораторное оборудование: Для получения хороших результатов эта лабораторная деятельность требует специального оборудования. Вам нужен хороший стабилизированный источник питания, чтобы напряжение, подаваемое на конденсатор, было одинаковым при каждом испытании. Вам также понадобится очень точный способ измерения напряжения между пластинами без резистивной нагрузки на конденсатор. Количество накопленного заряда очень мало, поэтому обычный вольтметр не подойдет.Мельчайший заряд, накопленный в конденсаторе, просто разрядился бы через счетчик, делая любые измерения бесполезными. Вы будете использовать специальный прибор для измерения напряжения, называемый электрометром, который измеряет напряжение без разряда конденсатора. Одна из проблем электрометра заключается в том, что он имеет некоторую собственную емкость. Поскольку эта емкость параллельна емкости конденсатора, встроенная емкость выводов должна быть добавлена ​​к емкости конденсатора. Назначение: Целью данной лабораторной работы является исследование взаимосвязи между разделением пластин и напряжением в конденсаторе с параллельными пластинами, имеющем постоянный заряд. Оснащение: Конденсатор переменной емкости Электрометр Регулируемый источник питания Поводки для перемычек Выводы для электрометра Осторожно: Это хрупкое оборудование. Все должно сочетаться с легчайшими прикосновениями. Ничего не заставляйте! Ваша первая задача – предсказать, что произойдет с напряжением конденсатора, когда вы зарядите его источником 10 В, а затем раздвинете пластины (что уменьшит емкость). Вы сделаете это в следующем разделе. Теоретические расчеты: Сначала необходимо рассчитать теоретическую емкость для каждого расстояния между пластинами. Мы сделаем первое, а потом вы сможете сделать все остальное! Самая сложная часть этого – правильно настроить юниты. Проще всего сложить все в метрах для расчетов: Измерьте диаметр пластин конденсатора в сантиметрах. Ваш размер должен быть около 17,8 см Разделите диаметр на 100, чтобы получить размер в метрах.Результат – 0,178 м. Разделите это на два, чтобы получить радиус: 0,089 м Площадь пластины определяется по общей формуле A = πr 2. Подставьте числа, чтобы получить A = π (0,089) 2 = 0,0249 м 2 Преобразуйте расстояние между пластинами (1 мм) в метры, разделив на 1000. 1/1000 = 0,001 м. Используйте это число в формуле C = ε 0A / d, чтобы определить расчетную емкость, таким образом: C = 8,85×10 -12 (0,0249) / 0,001 = 2,20×10 -10. Это равно 220×10 -12F или 220pF Добавьте встроенную емкость электрометра (50 пФ) к теоретической емкости, чтобы получить 270 пФ. Запишите этот результат (270 пФ) в столбец «Расчетная емкость» и в строку 1 мм. Повторите этот процесс для других расстояний между пластинами. Обратите внимание, что площадь пластины одинакова для всех, поэтому все, что вам нужно сделать, это повторить шаги 5, 6 и 7, вставляя правильные значения для интервала в каждом случае. Теперь вы рассчитаете теоретическое напряжение для каждого интервала. Предположим, что для шага 1,0 мм напряжение составляет 10 В, поэтому вы можете просто указать это значение в таблице.Во-первых, вы определяете количество заряда в конденсаторе при таком расстоянии и напряжении. Используйте формулу Q = CV, чтобы определить заряд, таким образом: Q = 270×10 -12F (10V) = 2700×10 -12C. Этот заряд остается неизменным на всех расстояниях между пластинами, поэтому вы можете ввести одно и то же значение во весь столбец Расчетный заряд! Теперь используйте это значение заряда, чтобы определить расчетное напряжение на всех других расстояниях. Например, при расстоянии 5 мм используйте формулу V = Q / C, таким образом: V = 2700×10 -12C / 94,0×10 -12F = 28,7V. Введите это значение в столбец «Расчетное напряжение» в строке 5 мм. Повторите тот же расчет напряжения для оставшихся расстояний между пластинами. Используйте рассчитанную емкость и постоянный заряд для каждого промежутка и введите значение напряжения в столбец «Расчетное напряжение» таблицы. Поздравляем! Вы закончили предварительные расчеты! Все, что вам нужно сделать сейчас, это произвести измерения! В следующих разделах вы проведете реальный эксперимент для проверки (или, возможно, не проверки!) Ваших теоретических расчетов. Процедура настройки переменного конденсатора (если лаборатория уже настроена, переходите к следующему разделу!) Поместите переменный конденсатор в середину лабораторного стола так, чтобы отметка 0 см находилась слева от вас. Не ставьте конденсатор слишком близко к краю стола! Поместите блок питания за конденсатором переменной емкости. Подключите блок питания, но не включайте его. Подключите красный и черный перемычки к красной и черной клеммам источника питания. Просто прикрепите зажим «крокодил» к отверстию и оставьте другой конец проводов свободным. Поместите электрометр слева от конденсатора. Присоедините плоские клеммы выводов электрометра к клеммам на задней стороне каждой пластины конденсатора. Красный провод идет к правой пластине, черный провод идет к левой пластине. Вставьте разъем BNC в электрометр. Установите пластины на расстоянии не менее 1 мм.Белые бамперы предотвращают сближение пластин. Если пластины не параллельны друг другу, используйте регулировочные ручки в центре правой опоры, чтобы выровнять пластины. Левый край пластикового язычка, выступающий к шкале, должен быть совмещен с отметкой 1 мм. Сбор экспериментальных данных Убедитесь, что оборудование настроено правильно и полностью. Поверните все четыре регулятора на блоке питания против часовой стрелки до упора. Поверните крайнюю левую ручку (Fine Current) в положение на 12 часов (прямо вверх!) Включите источник питания. Дисплеи должны загореться. Используйте ручки Fine и Coarse Voltage (две крайние правые ручки), чтобы установить напряжение на 10,0 В. Установите пластины на минимальное значение Установите электрометр на шкалу 30 В. Нажмите кнопку питания на электрометре. Должен загореться светодиод 30В. Нажмите кнопку нуля на электрометре. Это обнуляет счетчик и обеспечивает нулевое напряжение на пластинах относительно друг друга. На мгновение прикоснитесь к проводам от источника питания к пластинам, черный к левой пластине и красный к правой пластине. Электрометр должен показать 12 В в этой точке (12 В – это первая маленькая отметка над «1» на нижней шкале. Если он не проверяет вашу настройку, попробуйте еще раз.Иногда вам нужно несколько раз прикоснуться проводами к пластинам, чтобы получить правильные показания 12 В. С этого момента вы должны быть осторожны, чтобы не прикасаться к пластинам. Прикоснувшись к ним, вы измените заряд в пластинах и испортите данные! Следите за электрометром, чтобы убедиться, что заряд сохраняется. Если вы видите падение напряжения более чем на вольт за 30 секунд, остановитесь и выясните, что не так, прежде чем продолжить. Переключите электрометр на настройку 100 В. Измеритель должен по-прежнему показывать 12 В, но по шкале 100 В. Осторожно раздвиньте пластины на расстояние 5 мм. Снимите показание электрометра и запишите его в таблицу под столбцом «Измеренное напряжение». Повторите два предыдущих шага для других расстояний между пластинами и запишите соответствующие данные. Разделение пластин (мм) Расчетная емкость (пФ) Расчетный сбор (пКл) Расчетное напряжение (В) Измеренное напряжение (В) 1 5 10 15 20 25 30 35 40 Анализ данных: На миллиметровой бумаге постройте расчетную емкость по оси x (горизонтальная) в зависимости от напряжения на оси y (вертикальная).Нанесите на график рассчитанное и измеренное значение напряжения, используя разные цвета или стили линий, чтобы различать две кривые. Убедитесь, что вы выбрали подходящие масштабы и четко обозначили оси и масштабы. Лучше всего ориентировать бумагу длинной осью в горизонтальном направлении («альбомный режим»). Изучите свой график и ответьте на следующие вопросы: Подтверждают ли ваши измеренные данные измеренные значения? Две кривые имеют одинаковую форму? Если да, то на что это указывает? Что бы вы сделали, чтобы повысить точность собираемых данных? Формула для энергии, запасенной в конденсаторе, U e = ½CV 2.Сохраняется ли энергия, запасенная в конденсаторе, постоянной при изменении расстояния между пластинами? Он идет вверх или вниз? Обсудите, откуда пришла или куда ушла энергия.

Конденсаторы – несколько конденсаторов

< >

Как следует подключить нескольких конденсаторов ? Что происходит с общей емкостью в серийный и параллельных цепей? Как можно увеличить всего номинальное напряжение ? Будет ли серийный или параллельный магазин больше общей энергии ?

Параллельные конденсаторы

Конденсаторы, подключенные параллельно, добавят к их емкость вместе.

C _всего = C ₁ + C ₂ + … + C _n

параллельная цепь – самый удобный способ увеличить общее хранилище электрический заряд.

Общее напряжение рейтинг не меняется. Каждый конденсатор будет «видеть» одно и то же напряжение. Они все должны быть рассчитаны как минимум на напряжение вашего источника питания. И наоборот, вы не должны прикладывать больше напряжения, чем наименьшее номинальное напряжение среди параллельных конденсаторов.

Конденсаторы серии

Конденсаторы, соединенные последовательно, будут иметь нижних общая емкость, чем любая отдельная в цепи.

Если у вас есть только два конденсатора последовательно, это уравнение можно упростить до:

Если у вас есть два идентичных конденсаторов , соединенных последовательно, это дополнительно упрощается до:

Эта последовательная схема предлагает более высокий общий уровень напряжения.Падение напряжения на каждом конденсаторе складывается из общее приложенное напряжение.

Осторожно: Если конденсаторы разные, напряжение разделится так, что конденсаторы меньшего размера подбросьте больше напряжения! Это потому, что все они получают тот же зарядный ток, а напряжение обратно пропорционально пропорционально емкости.

Еще хуже , если один конденсатор немного негерметичен, он будет постепенно передавать свое напряжение другим, возможно превышение их номинального напряжения в свою очередь.И если один из них пробивает диэлектрический барьер и может повредить другие каскадно. Вот почему конденсаторы серии обычно избегают в силовых цепях.

Сеть резисторов

для серийных конденсаторов

Но серийная сеть просто слишком привлекательна, когда у вас ограниченные деньги и запасные части. Как ты можешь встраиваем в безопасность ?

При последовательном подключении конденсаторов любые расхождения в значениях заставляет каждый заряжаться с разной скоростью и с разным Напряжение.Разница может быть довольно большой для электролитов. Наверху из этого, как только батарея заряжена, утечка каждого конденсатора ток также вызывает * различное * напряжение на каждом конденсаторе.

Если вы полностью заряжаете банк серии, некоторые ограничения всегда недозаряженные и некоторые завышенные (не хорошо). Чтобы помочь им поделиться Напряжение равно , вы добавляете балансировочные резисторы . В основном резисторы действуют как большой делитель напряжения и противодействуют эффектам изменения емкости и тока утечки.А если нет ток утечки, конденсаторы должны со временем зарядиться согласно значениям делителя напряжения.

Используйте это уравнение со стр.13 этого отличного руководства, предоставленного Корнелл Дубилье, “Алюминий Руководство по применению электролитических конденсаторов »для расчета балансировочные резисторы:

Для 2 конденсаторов последовательно:	R = (2V m – V b ) / (0.0015 C V b )
Для N> 2 конденсаторов:	R = (NV m – V b ) / (0,0015 C V b )

где	R = сопротивление в МОм В м = максимальное напряжение, которое вы разрешаете на любом конденсаторе В b = максимальное напряжение на всей банке из двух (или N) конденсаторов N = количество конденсаторов в серии C = емкость в мкФ

Пример: Предположим, у вас есть два одинаковых 1000 мкФ конденсаторы, и соедините их последовательно, чтобы удвоить напряжение номинал и уменьшить вдвое общую емкость.Предположим также, что они рассчитаны на 100 Вт постоянного тока (рабочее напряжение) и максимальное перенапряжение 125 В. Решите уравнение, используя V _m = 125 и V _b = 200.

Решение: R = (2×125 – 200) / (0,0015 x 1000 x 200) = 50/300 = 0,167 M = 167 кОм

Некоторые связанные последствия в этом примере:

• Резисторы в этом примере будут давать нагрузку I = 200В / (2 * 167К) = 0,6 мА на системе зарядки.Здесь нет проблем, скорее всего, это незначительно к мощной системе зарядки койлгана.
• Балансировочные резисторы будут стекать по крышке заряд с постоянной времени RC 2мин 47сек, что означает вы должны держать зарядное устройство подключенным до момента выстрела. Они действуют как защитный резистор для удаления воздуха, который гарантирует, что колпачки не остаются заряженными на следующий день (или неделю, или месяц!). Кроме того, это предотвращает зарядку конденсаторов до несколько вольт из-за эффекта диэлектрической памяти.
• Каждый резистор выделяет тепло ( P = I ² R ) в этом примере номинал 60 мВт, худший случай 120 мВт. Так что вы следует использовать резистор на 1 Вт или больше. Ладно, резистор на 1/2 ватта тоже подойдет, но может сильно нагреться.
• Термин «0,0015 C V _b » означает оценка (в микроамперах) разницы токов утечки в двух конденсаторах, включенных последовательно при номинальной температуре.
• Плохой конденсатор с током утечки более примерно 1 мА собирается перезарядить другую шапку.Так что будь осторожен, и периодически проверяйте актуальные напряжения!
• Неисправный конденсатор с внутренним коротким замыканием перезаряжается другие конденсаторы (если он не открывается) независимо от того, что резисторы, которые вы используете.

Общая энергия серии по сравнению с параллельной

Давайте посмотрим, может ли последовательная или параллельная цепь хранить больше полная энергия.

Напомним, что энергия в одном конденсаторе пропорциональна квадрат напряжения.Заманчиво использовать последовательные конденсаторы для получить прирост энергии, используя «квадрат напряжения» в наших интересах. Но давайте посмотрим внимательнее …

Предположим, у вас есть два одинаковых конденсатора, емкостью C и номинальное напряжение В . (Конденсаторы не должны быть идентичны, но результаты верны для общего случая, и математика таким образом намного проще.) Давайте посчитаем запасенную энергию E для обеих схем.

1. Накопленная энергия в двух параллельных конденсаторах, заряженных до напряжения В:
   
2. Накопленная энергия в двух последовательных конденсаторах, заряженных до напряжения 2 В:
   

Нет разницы ! Обе схемы хранят одно и то же количество энергии. Это должно подтвердить здравый смысл, это говорит о том, что вы не можете увеличить общий запас энергии только за счет повторное подключение одних и тех же конденсаторов в разных схемах.