Практическое применение конденсаторов: Применение конденсаторов и их видов кратко – в физике и технике, примеры (10 класс)

Презентация на тему типы конденсаторов. Презентация на тему типы конденсаторов и их применение. сравнению с размерами проводников

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Лицей № 7» г. Бердск

Конденсаторы

8 класс

Учитель физики

И.В.Торопчина

Конденсатор

Конденсатор- это устройство, предназначенное для накопления электрического заряда и энергии электрического поля.

Конденсатор

Конденсатор представляет собой два

проводника (обкладки), разделенных слоем

диэлектрика, толщина которого мала по

сравнению с размерами проводников.

Все электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора и однородно.

Заряд конденсатора – это абсолютное значение заряда одной из обкладок конденсатора.

– по виду диэлектрика : воздушные,

слюдяные, керамические,

электролитические.

– по форме обкладок : плоские,

сферические, цилиндрические. – по величине емкости:

постоянные, переменные.

• В зависимости от назначения конденсаторы имеют различное устройство.

• Обычный технический бумажный конденсатор состоит из двух полосок алюминиевой фольги, изолированных друг от друга и от металлического корпуса бумажными лентами, пропитанными парафином. Полоски и ленты туго свернуты в пакет небольшого размера

Конденсаторы переменной электроемкости

Обозначение конденсаторов

Конденсатор постоянной ёмкости

Конденсатор переменной ёмкости

Электроемкость

Физическая величина, характеризующая способность двух проводников накапливать электрический заряд называется электроёмкостью, или ёмкостью.

При увеличении заряда в 2, 3, 4 раза соответственно в 2, 3, 4

раза увеличатся показания электрометра, т. е. увеличится

напряжение между пластинами конденсатора.

Отношение заряда к напряжению будет оставаться

постоянным:

Электроёмкость конденсатора

• Величина, измеряемая отношением заряда ( q) одной из пластин конденсатора к напряжению ( U) между пластинами, называется электроёмкостью конденсатора .
• Электроёмкость конденсатора вычисляется по формуле:

C = q / U

Единицы электроемкости

Электроемкость измеряется в фарадах(Ф)

[ С ] = 1Ф (фарад)

Электроемкость двух проводников численно

равна единице, если при сообщении им зарядов

+1 Кл и -1 Кл между ними возникает разность

потенциалов 1В

1Ф = 1Кл/В

Единицы электроемкости

1 мкФ (микрофарад)=10 -6 Ф

1 нФ (нанофарад)=10 -9 Ф

1 пФ (пикофарад)=10 -12 Ф

• Чем больше площадь пластин, тем больше ёмкость конденсатора.
• При уменьшении расстояния между пластинами конденсатора при неизменном заряде ёмкость конденсатора увеличивается.
• При внесении диэлектрика ёмкость конденсатора увеличивается.

Емкость конденсатора зависит от площади пластин, расстояния между пластинами, от свойств внесённого диэлектрика.

Электроемкость

от геометрических

размеров проводников

Зависит

от формы проводников и

их взаимного расположения

от электрических свойств

среды между проводниками

Энергия конденсатора

• Для того чтобы зарядить конденсатор, нужно совершить работу по разделению положительных и отрицательных зарядов. В соответствии с законом сохранения энергии, совершённая работа А равна энергии конденсатора Е, т. е

А = Е,

где Е – энергия конденсатора.

• Работу электрическое поле конденсатора, можно найти по формуле: А = qU cp ,

где U ср – это среднее значение напряжения.

U ср = U/2; тогда А = qU ср = qU/2, так как q = CU, то А = CU

2 /2.

• Энергия конденсатора ёмкостью С равна:

W = CU 2 /2

• Конденсаторы могут длительное время накапливать энергию, а при разрядке они отдают её почти мгновенно.
• Свойство конденсатора накапливать и быстро отдавать электрическую энергию широко используется в электротехнических и электронных устройствах, в медицинской технике (рентгеновская техника, устройства электротерапии), при изготовлении дозиметров, аэрофотосъёмке.

• Лампа-вспышка питается электрическим током разрядки конденсатора.
• Газоразрядные трубки зажигаются при разрядки батареи конденсаторов.
• Радиотехника .

Первый конденсатор был изобретен в 1745 г. немецким юристом и учёным Эвальд Юрген фон Клейстом

Первый конденсатор: одна обкладка-ртуть, другая обкладка- рука экспериментатора, державшая банку.

• Почти такой же опыт и почти в то же время был поставлен в голландском городе Лейдене профессором университета Питером ван Мушенбруком.
• Зарядив воду и взяв банку в одну руку, он прикоснулся другой рукой к металлическому стержню, служившему для подвода заряда к воде. При этом Мушенбрук ощутил такой сильный удар в руки, плечи и грудь, что потерял сознание, и два дня приходил в себя.
• Эксперимент ван Мушенбрука получил большую известность, поэтому конденсатор стал известен как «лейденская банка».

Домашнее задание

§ 54, Упражнение 38

Питер ван Мушенбрук ()

Что такое конденсатор? Конденсатор (от лат. condense «уплотнять», «сгущать») двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

лат.двухполюсникёмкостипроводимостью диэлектриком

Свойства конденсатора Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течёт, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора, замыкаясь так называемым током смещенияцепи постоянного тока переменного токатоком смещения

В терминах метода комплексных амплитуд конденсатор обладает комплексным импедансом:метода комплексных амплитуд импедансом Резонансная частота конденсатора равна: Резонансная частота При конденсатор в цепи переменного тока ведёт себя как катушка индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах, на которых его сопротивление носит ёмкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 23 раза ниже резонанснойкатушка индуктивности

Основные параметры. Ёмкость Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = CU). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад. Однако существуют конденсаторы с ёмкостью до десятков фарад. ёмкостьэлектрический зарядзаряд напряжениюфарад Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью каждая, расположенных на расстоянии d друг от друга, в системе СИ выражается формулойСИ

Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею. Если у всех параллельно соединённых конденсаторов расстояние между обкладками и свойства диэлектрика одинаковы, то эти конденсаторы можно представить как один большой конденсатор, разделённый на фрагменты меньшей площади. При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы, так как от источника питания они поступают только на внешние электроды, а на внутренних электродах они получаются только за счет разделения зарядов, ранее нейтрализовавших друг друга. Общая ёмкость батареи последовательно соединённых конденсаторов равна

Удельная ёмкость. Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью отношением ёмкости к объёму (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя.

Плотность энергии Плотность энергии электролитического конденсатора зависит от конструктивного исполнения. Максимальная плотность достигается у больших конденсаторов, где масса корпуса невелика по сравнению с массой обкладок и электролита. Например, у конденсатора EPCOS B4345 емкостью мкФ x 450 В и массой 1.9кг плотность энергии составляет 639Дж/кг или 845Дж/л. Особенно важен этот параметр при использовании конденсатора в качестве накопителя энергии, с последующим мгновенным её высвобождением, например, в пушке Гауссапушке Гаусса

Номинальное напряжение Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах. Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается, что связано с увеличением тепловой скорости движения носителей заряда и, соответственно, снижению требований для образования электрического пробоя.температурыскоростиносителей заряда

Полярность Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса.электролитические электролитавзрыва

В настоящее время широко применяются бумажные конденсаторы для напряжений в несколько сот вольт и ёмкостью в несколько микрофарад. В таких конденсаторах обкладками служат две длинные ленты тонкой металлической фольги, а изолирующей прокладкой между ними – несколько более широкая бумажная лента, пропитанная парафином. Бумажной лентой покрывается одна из обкладок, затем ленты туго свёртываются в рулон и укладываются в специальный корпус. Такой конденсатор, имея размеры спичечного коробка, обладает ёмкостью 10мкФ (металлический шар такой ёмкости имел бы радиус 90км).

В радиотехнике применяются слюдяные конденсаторы небольшой ёмкости (от десятков до десятков тысяч пикофарад). В них листки станиоля прокладываются слюдой так, что все нечётные листки станиоля, соединённые вместе, образуют одну обкладку конденсатора, тогда как чётные листки образуют другую обкладку. Внешний вид и отдельные части такого конденсатора показаны на рисунке. Эти конденсаторы могут работать при напряжениях от сотен до тысяч вольт.

В последнее время слюдяные конденсаторы в радиотехнике начали заменять керамическими. Диэлектриком в них служит специальная керамика. Обкладки керамических конденсаторов изготавливаются в виде слоя серебра, нанесённого на поверхность керамики и защищённого слоем лака. Керамические конденсаторы изготавливаются на ёмкости о единиц до сотен пикофарад и на напряжения от сотен до тысяч вольт.

Широкое распространение получили так называемые электролитические конденсаторы, диэлектриком в которых служит тончайший окисный слой на поверхности алюминия или тантала, находящийся в контакте со специальным электролитом. Эти конденсаторы имеют большую ёмкость (до нескольких тысяч микрофарад) при небольших размерах.

Часто используются конденсаторы переменной емкости с воздушным или твёрдым диэлектриком. Они состоят из двух систем металлических пластин, изолированных друг от друга. Одна система пластин неподвижна, вторая может вращаться вокруг оси. Вращая подвижную систему, плавно изменяют ёмкость конденсатора.

«Переменный ток» – Определение. Переменным током называется электрический ток, изменяющийся во времени по модулю и направлению. Переменный ток. Генератор переменного тока. ЭЗ 25.1 Получение переменного тока при вращении катушки в магнитном поле.

«Действие электрического тока» – Вам нужно сделать точный слепок с некоторого деревянного рельефа. Как по химическому действию тока можно судить о количестве прошедшего электричества? Какие действия электрического тока, проявляются в вашей квартире? «Подумаем». Выберите на демонстрационном столе оборудование для опыта в соответствии с рисунком.

«Мощность электрического тока» – А. A=IU Б. P=UI В. I=U/R А. A=UI Б. P=UI В. A=UIt А. Вт Б. А В. В А. 100 Вт Б. 400 Вт В. 4 кВт. Действие тока характеризуют две величины. Напряжение… Работа тока A=UIt. Электрический ток… Сила тока… Мощность электрического утюга равна 600 Вт, а мощность телевизора 100 Вт. Знать определение работы и мощности электрического тока на участке цепи?

«Электроемкость и конденсаторы» – Параллельное. Конденсаторы. Конденсатор переменной емкости. Все электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора. -q. Энергия заряженного конденсатора. Соединение конденсаторов. Электроемкость. Последовательное. Обозначение на электрических схемах: Конденсатор постоянной емкости. +q. Вывод формулы энергии заряженного конденсатора.

«Переменный электрический ток» – В результате средняя мощность за период. Переменный Электрический ток. Мгновенное значение силы тока прямо пропорционально мгновенному значению напряжения. E=-ф’= -bs(cos ?t)’= = bs? * sin ?t = em sin ?t. И наоборот, незатухающие вынужденные колебания имеют большое практическое значение. U=Um cos ?t.

«Конденсатор физика» – – Бумажный конденсатор – слюдяной конденсатор электролитический конденсатор. Назначение конденсаторов. Конденсаторы. При подключении электролитического конденсатора необходимо соблюдать полярность. Воздушный конденсатор. Определение конденсатора. Презентация по Физике на Тему: Бумажный конденсатор. Работу выполнила: Даутова Регина.

Всего в теме 9 презентаций

Конденсаторы / Продукция / Гириконд

 

 

Конденсаторы являются одним из самых “древних” изделий электронной техники и электротехники. Первые конденсаторы, так называемые “лейденские банки”, появились еще в середине 18 века, задолго до начала их практического применения.

Несмотря на опережающее развитие микроэлектроники и, соответственно, возможность реализации емкостных элементов в рамках интегральных технологий непосредственно в составе микросхем, потребность в дискретных емкостных элементах не снижается в связи с непрерывным расширением области применения радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).

В результате, в современной радиоэлектронике дискретные конденсаторы являются одними из самых массовых компонентов радиоэлектронной аппаратуры, а мировое конденсаторостроение представляет собой мощную индустрию с ежегодным приростом объема продаж. Одновременно с количественными изменениями в производстве конденсаторов происходят серьезные качественные изменения в их номенклатуре, отражающие требования, которые соответствуют тенденциям и направлениям развития РЭА.

Так, в соответствии с постоянно доминирующим требованием улучшения массогабаритных характеристик РЭА, за последние годы в номенклатуре конденсаторов произошли качественные изменения в части улучшения их удельных массогабаритных характеристик, чему способствовала также тенденция снижения рабочих напряжений функциональных блоков РЭА. В связи с широким применением технологий автоматизированного монтажа РЭА на поверхность печатных плат качественно увеличивается доля заказов на миниатюрные конденсаторы в чип – исполнении. Расширение диапазона рабочих частот РЭА различного назначения объективно диктует необходимость повышения частотной стабильности основных параметров конденсаторов и соответствующего расширения диапазона параметров их допустимых электрических режимов.

Организованный в 1939 году АО “НИИ “Гириконд” является в настоящее время одним из ведущих научно-производственных предприятий России в области конденсаторов для РЭА и осуществляет научно-техническую и производственную деятельность в этом направлении от материаловедческих и технологических НИР до разработки новых типов конденсаторов и организации их серийного производства.

Перечисленные выше и другие существующие перспективные требования к современным конденсаторам являются объективной основой для изыскания новых материалов и конструктивно-технологических решений для новых разработок и производства рассматриваемого вида электронных компонентов.

Ниже приводятся краткие общие сведения о конденсаторах, их видах и месте   в современной РЭА, направлениях и перспективах их развития, а также подробная информация о номенклатуре и параметрах изделий, выпускаемых АО «НИИ «Гириконд» в соответствии с его технологической специализацией.

 Для начала напомним коротко сведения о конденсаторах и их потребительских характеристиках.

Как известно, основным параметром конденсатора является его электрическая емкость или просто емкость, обозначаемая обычно С. Вообще говоря, электрической емкостью обладают не только конденсаторы. Любое находящееся в определенном пространстве тело имеет собственную емкость, которая зависит от размеров и конфигурации тела и количественно определяет его заряд при единичном его потенциале в окружающем пространстве или, иными словами, является размерным коэффициентом пропорциональности между потенциалом тела и его зарядом. Если в определенном пространстве  находятся два тела на расстоянии, при котором их электрические поля могут значимо взаимодействовать, то это взаимодействие характеризуется взаимной емкостью тел, которая количественно определяется как соотношение  абсолютного значения заряда тел (предполагается, что тела имеют заряды противоположного знака при одинаковом абсолютном значении) и разности потенциалов или, иначе, напряжения между ними. Не требует дополнительных пояснений тот факт, что рассматриваемая нами емкость конденсатора и является, по существу, взаимной емкостью между его электродами.

Каким же образом формируется и какими факторами определяется емкость конденсатора?

Представим себе два плоских электрода, один из которых имеет заряд +q,
а другой –q.  При отсутствии взаимного влияния электродов их электрические поля будут соответствовать рис.1 (искажение поля на краю электродов для простоты восприятия не учитываем). При сближении электродов произойдет наложение их электрических полей, в результате чего суммарное электрическое поле сосредоточится между электродами (рис.2), при этом разность потенциалов или напряжение между ними будет соответствовать выражению:

U = q/C,

где C и является, по определению, емкостью образовавшегося простейшего конденсатора.

 

 

                          Рис. 1                                                                  Рис. 2 

Картина электрического поля одиночных       Картина электрического поля

                    электродов                                            сближенных электродов

                         

Если между электродами этого конденсатора поместить диэлектрик, то при приложении к конденсатору напряжения под воздействием электрического поля электродов произойдет поляризация диэлектрика, в результате чего в нем установится собственное электрическое поле, так называемых, связанных зарядов, вектор напряженности которого направлен против вектора напряженности поля электродов. Это, в свою очередь, при сохранении заряда на электродах приведет к снижению напряжения между электродами, что будет свидетельствовать о соответствующем увеличении емкости конденсатора. Относительное увеличение емкости конденсатора при помещении между его электродами диэлектрического материала называется относительной диэлектрической проницаемостью или просто диэлектрической проницаемостью диэлектрика и обычно обозначается ε.

 

В общем случае емкость конденсатора описывается выражением:

С= ε_о ε S/d,

где:      ε_о – диэлектрическая постоянная,

S – площадь электродов,

d – расстояние между электродами.

Подавляющее большинство используемых в конденсаторах материалов обладают линейными свойствами, что означает практическое отсутствие зависимости их диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля. Типичными представителями нелинейных материалов являются сегнетоэлектрики. У конденсаторов на их основе в определенном интервале температур и напряженности электрического поля наблюдается отсутствие пропорциональности между напряжением и зарядом, поэтому в общем случае справедливыми оказываются выражения:

                                                 С =Δq / ΔU,            или точнее:         

                                                 С = dq / dU.

 

Важнейшим параметром конденсатора является его номинальное напряжение (U_ном).

В нормативной документации на конденсаторы, предназначенные для комплектации РЭА, под номинальным напряжением понимается то предельное напряжение, при котором конденсатор может работать в заданных условиях с обеспечением определенных показателей надежности и долговечности и с сохранением нормируемых параметров в допускаемых пределах. В зависимости от назначения конденсатора номинальное напряжение может быть задано постоянным, переменным, импульсным и т.п.

Для правильного выбора конденсатора необходимыми и важными являются сведения о параметрах, описывающих ряд свойств конденсатора в отличие от идеального конденсатора, “поведение” которого в электрической схеме определяется лишь его емкостью.

В первом приближении свойства реального конденсатора могут быть представлены его схемой замещения, приведенной на рис. 3.

 

 

Рис. 3

Схема замещения реального конденсатора

 

 

Первое отличие реального конденсатора от идеального определяется объемной и поверхностной проводимостью диэлектрика, элементов конструкции и корпуса или оболочки конденсатора. Доля каждой составляющей общей проводимости существенным образом зависит от вида диэлектрика, конструктивного оформления конденсатора, его емкости и номинального напряжения. В зависимости от вида конденсатора его общая проводимость нормируется предельными значениями его общего сопротивления (сопротивление изоляции (R_из) на рис.3) либо тока утечки (I_ут)  через это сопротивление при заданном напряжении. Следует отметить, что с увеличением емкости конденсатора все большая доля проводимости конденсатора приходится на объемную проводимость диэлектрика, что, в свою очередь, определяет практически обратно пропорциональную зависимость сопротивления изоляции от емкости конденсатора. В связи с изложенным для конденсаторов относительно большой емкости в нормативной документации приводят не сопротивление изоляции, а постоянную времени, равную R_изС_ном. Поскольку сопротивление изоляции и ток утечки конденсаторов значимо зависят от температуры и влажности окружающей среды и, в общем случае, от напряжения и времени его приложения, методы и условия их измерения регламентируют в нормативной документации на конденсаторы.

Другим отличием реального конденсатора являются потери энергии в нем, связанные с поляризацией диэлектрика (диэлектрические потери) и прохождением тока по электродам и выводам конденсатора. Доля каждой составляющей общих потерь зависит от вида диэлектрика и конструкции конденсатора и, в общем случае, может изменяться в зависимости от частоты воздействующего на конденсатор напряжения. Суммарные потери энергии в конденсаторе при работе его на переменном напряжении определяются, как известно, таким параметром, как tgδ, который равен отношению активной мощности (мощности потерь) к реактивной мощности конденсатора на заданной частоте, а сам угол δ, является углом, дополняющим на векторной диаграмме угол сдвига фаз тока и напряжения на конденсаторе до 90^о. Однако, параметр tgδ по определению имеет физический смысл только при гармонической форме воздействующего напряжения. Поэтому при более сложных формах напряжения на конденсаторе, а также для характеристики добротности конденсатора при частотах, близких к резонансной (зависит от собственной индуктивности конденсатора (L на рис.3), потери энергии в конденсаторе характеризуют величиной эквивалентного последовательного сопротивления ( R_эпс на рис.3), потери в котором в данном конкретном режиме равны суммарным потерям в конденсаторе. Представляется очевидным, что и tgδ и R_эпс являются частотно-зависимыми параметрами, поэтому их значения нормируют и определяют на конкретной, заданной частоте. В отдельных случаях, например, при необходимости минимизации собственной индуктивности конденсатора, ее предельное значение устанавливают в нормативной документации.

Основная, наиболее массовая часть современной номенклатуры дискретных конденсаторов для РЭА в последние десятилетия формируется на основе следующих традиционных видов конденсаторов:

• керамические конденсаторы,
• конденсаторы с оксидным диэлектриком,
• конденсаторы с органическим диэлектриком.

В соответствии с тенденцией миниатюризации функциональных блоков РЭА практическое применение также находят так называемые тонкопленочные конденсаторы, реализуемые с использованием различных диэлектрических материалов на основе вакуумных микроэлектронных технологий

В последние годы в РЭА стали применяться и конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы), у которых электрическое поле сосредоточено не в поляризованном диэлектрике, как у названных выше традиционных видов конденсаторов, а в двойном электрическом слое, образующемся при определенных условиях на границе “электрод-электролит”.

 

Остановимся коротко на основных особенностях указанных видов конденсаторов и их месте в общей номенклатуре этих изделий.

 

Наибольшая доля (более 90% в штучном выражении) мирового выпуска конденсаторов приходится на керамические конденсаторы, в качестве диэлектрика которых используются поликристаллические структуры на основе оксидов металлов и их соединений, в основном, в виде твердых растворов. Современные физические представления о связи химического состава и структуры керамических конденсаторных материалов с их диэлектрическими и физико-механическими характеристиками позволяют, варьируя рецептурой и технологическими режимами, получать эти материалы с широкими, не свойственными другим диэлектрическим материалам, диапазоном диэлектрической проницаемости и диапазоном рабочих частот. Диэлектрическая проницаемость материалов для изготовления конденсаторов I типа (высокочастотных), лежит в пределах от единиц до сотен, в то время как у материалов для конденсаторов II типа (низкочастотных) этот параметр лежит в пределах от тысяч до десятков тысяч относительных единиц. Деление керамических материалов на низкочастотные и высокочастотные достаточно условно, поскольку все керамические конденсаторы могут применяться при любой частоте напряжения, в зависимости от предъявляемых к ним технических требований. Основой керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью являются соединения, относящиеся к классу сегнетоэлектриков, поэтому эти материалы в большей или меньшей степени, в зависимости от состава, характеризуются нелинейными свойствами и специфическими температурными зависимостями диэлектрической проницаемости.

 

В конденсаторах с оксидным диэлектриком в качестве основного диэлектрического материала, определяющего их потребительские свойства и основные характеристики, используются оксидные слои на вентильных металлах: алюминии, тантале, ниобии.  Ориентировочные значения относительной диэлектрической проницаемости оксидных слоев составляют: Al₂О₃ – 10,  Та₂О₅ – 25,  Nb₂O₅ – 40. В общем случае, в зависимости от требований к конденсаторам и технологических возможностей оксидные слои могут формироваться, как непосредственно на поверхности фольги из указанных металлов, так и на развитой поверхности объемно-пористого тела на основе порошков из тех же металлов. Эти конденсаторы, как правило, являются полярными, при этом одним из электродов конденсаторов (анодом) является сам вентильный металл, вторым электродом (катодом) является электролит, либо, что характерно для конденсаторов относительно малой емкости с объемно-пористым анодом, слой полупроводника, например, двуокиси марганца.

В современных конденсаторах с органическим диэлектриком в качестве основного диэлектрического материала широко используются полимерные пленки толщиной порядка единиц – десятков мкм, основными из которых в настоящее время являются полипропиленовая с относительной диэлектрической проницаемостью около 2 и полиэтилентерефталатная с диэлектрической проницаемостью примерно 3,2.

 

Из вышеприведенных зависимостей следует, что диапазоны реализуемых емкостей на том или ином виде диэлектрика определяются не только его диэлектрической проницаемостью, но и технологическими возможностями реализации толщины диэлектрика и площади электродов конденсаторов. Диапазон реализации номинальных напряжений конденсаторов на том или ином виде диэлектрика определяется диапазоном реализуемых толщин диэлектрика и уровнем рабочей напряженности электрического поля в нем, которая, в свою очередь, зависит от электрической прочности используемых материалов и требований к электрическим режимам и долговечности конденсатора.

 

На рис.4 представлены наиболее характерные для рассматриваемых видов диэлектрика сочетания их диэлектрической проницаемости и практически реализуемых толщин.

Рис. 4 Сочетание реализации толщин и диапазонов значений диэлектрической проницаемости различных видов диэлектрика

 

Рассматриваемые нами виды конденсаторных диэлектрических материалов существенно отличаются друг от друга не только значениями диэлектрической проницаемости и технологически реализуемыми диапазонами толщин в конденсаторах, но и значениями электрической прочности. В результате, значения рабочей напряженности электрического поля в керамических конденсаторах не превышают единиц кВ/мм, в конденсаторах с органическим диэлектриком  лежат в пределах порядков десятков – сотен кВ/мм и в конденсаторах с оксидным диэлектриком достигают порядка сотен кВ/мм.

 

Совокупность перечисленных выше характеристик различных видов диэлектрика и технологических особенностей переработки соответствующих материалов определяют диапазоны реализации номинальных емкостей и напряжений конденсаторов на основе этих диэлектриков. Как указывалось выше, в ионисторах, роль поляризованного диэлектрика, если можно так выразится, “играет” двойной электрический слой, образующийся на границе электрода и электролита при напряжениях ниже потенциала начала химической реакции на электроде. В связи с этим номинальное напряжение отдельного ионистора, в зависимости от материала электролита лежит в пределах порядков десятых долей – малых единиц вольт. За счет последовательного соединения рабочие напряжения блоков ионисторов повышают до порядка десятков вольт. Высокая емкость ионисторов достигается за счет использования в электродах специальных углеродных материалов с высокой удельной поверхностью.

 

На рис.5 представлена совокупность наиболее характерных областей сочетаний номинальных емкостей и напряжений различных видов конденсаторов. Рис. 5 даёт лишь самые общие, приблизительные представления о возможностях реализации основных параметров конденсаторов на тех или иных диэлектрических материалах, однако и этих представлений вполне достаточно, чтобы выделить области типономиналов, реализация которых возможна только на определенных видах диэлектриков. Так, область относительно малых емкостей в широком интервале напряжений является прерогативой керамических конденсаторов, в области больших емкостей и относительно малых напряжений “господствуют” конденсаторы с оксидным диэлектриком и, далее, – с двойным электрическим слоем. Область сочетания относительно больших емкостей и напряжений, т.е. область относительно больших единичных зарядов и энергий конденсаторов, оптимально реализуется на органическом диэлектрике. Тем не менее, как видно на рис. 5, существует достаточно обширная область типономиналов, в которой возможен и целесообразен выбор вида конденсатора, наиболее соответствующего комплексу предъявляемых требований.

 

 

Рис. 5 Области реализации номинальных значений емкости и напряжения различных видов конденсаторов

 

Остановимся коротко на особенностях рассматриваемых видов конденсаторов, учет которых необходим для оптимального выбора конденсатора.

 Керамические конденсаторы, отличающиеся наиболее широким диапазоном номинальных напряжений, подразделяются на низковольтные (Uн до 1600 В), имеющие условное обозначение К10-, и высоковольтные (Uн=1600 В и выше), обозначаемые К15- .

В свою очередь, как низковольтные, так и высоковольтные керамические конденсаторы, подразделяются на конденсаторы общего назначения и специального назначения. Конденсаторы общего назначения, как правило, аттестовываются и, соответственно, используются в широком диапазоне электрических режимов с преимущественным воздействием постоянной составляющей напряжения. Эти конденсаторы, как правило, представлены широкими унифицированными сериями, конструкция и технология которых ориентированы на крупносерийное и массовое  производство. Обычно эти серии имеют несколько групп, отличающихся температурной стабильностью емкости. Поскольку диэлектрические проницаемости керамических материалов различных групп стабильности существенно отличаются, конденсаторы с повышенной температурной стабильностью емкости имеют, при прочих равных условиях, заметно большие габариты и, соответственно, массу. Примерами керамических конденсаторов общего назначения являются выпускаемые АО «НИИ «Гириконд» конденсаторы К10-79, К10-82, К10-83, К15-20

Конструкция и технология керамических конденсаторов специального назначения ориентированы на реализацию определенных специальных требований к параметрам или электрическим режимам работы конденсаторов. Примерами таких конденсаторов являются конденсаторы К10-80 и К15-39,  отличающиеся повышенными значениями реактивного тока в УВЧ и ОВЧ диапазонах. Поскольку в этих конденсаторах используются высокочастотные  материалы, диэлектрические потери в которых пренебрежимо малы в широком диапазоне частот, основным фактором, ограничивающим допустимые переменные высокочастотные составляющие напряжения, являются потери в электродах и выводах конденсаторов. Поэтому указанные типы конденсаторов имеют специальную конструкцию, позволяющую заметно снизить их эквивалентное последовательное сопротивление и, соответственно, реализовать в них существенно повышенные допускаемые значения реактивной мощности и реактивных токов по сравнению с конденсаторами общего назначения. Еще одним примером специальных керамических конденсаторов являются помехоподавляющие конденсаторы, для которых нормируется вносимое затухание в определенном диапазоне частот.

Основная часть современной номенклатуры, как низковольтных, так и высоковольтных керамических конденсаторов имеет многослойную конструкцию, пригодную, в том числе, для автоматизированного монтажа на поверхность печатных плат.

 

Применяемые в современной радиоэлектронной аппаратуре конденсаторы с оксидным диэлектриком подразделяются:

• по материалу основы оксидного слоя на  алюминиевые, танталовые, ниобиевые;
• по материалу катода на оксидно-электролитические и оксидно-полупроводниковые;
• по конструкции анода на фольговые и объемно-пористые.

 

Наиболее распространенными в современной аппаратуре являются:

• алюминиевые оксидно-электролитические фольговые конденсаторы (К50- ),
• танталовые оксидно-электролитические (К52- ) и оксидно-полупроводниковые (К53- ) объемно-пористые конденсаторы.

Каждый из указанных видов конденсаторов с оксидным диэлектриком имеет свои области реализации емкостей и напряжений и свои области применения. Так, в соответствии с физической природой оксидного слоя и спецификой технологии изготовления конденсаторов, номинальные напряжения алюминиевых конденсаторов, как правило, не превышают 600 В, танталовых оксидно-электролитических – 125 В, танталовых оксидно-полупроводниковых – 63 В. При прочих равных условиях танталовые конденсаторы по сравнению с алюминиевыми имеют меньшие габариты и меньшее эквивалентное последовательное сопротивление, что особенно важно для обеспечения работоспособности конденсаторов в области низких температур. Следует отметить, что эквивалентное последовательное сопротивление или близкое по значению полное сопротивление конденсатора при частотах, близких к резонансной, являются для конденсаторов с оксидным диэлектриком важнейшими параметрами, определяющими выбор того или иного конденсатора в каждом конкретном случае.

АО “НИИ “Гириконд” в последние десятилетия специализируется на разработках и производстве наиболее перспективных из конденсаторов с оксидным диэлектриком– танталовых конденсаторов.

 

В соответствии с принятой классификацией упомянутые выше наиболее широко применяемые в современной РЭА конденсаторы с органическим диэлектриком по типу диэлектрика подразделяются на:

• полиэтилентерефталатные (К73-…),
• полипропиленовые (К78-…),
• комбинированные (К75-…).

Первые два вида конденсаторов имеют чисто пленочный диэлектрик на основе одного из указанных полимеров, Диэлектрик последнего представляет собой или комбинацию указанных пленок, или их комбинацию в любом сочетании с конденсаторной бумагой, пропиточным составом и т.п. При прочих равных условиях конденсаторы на основе полиэтилентерефталатной пленки имеют лучшие массогабаритные характеристики, что обусловлено большей диэлектрической проницаемостью этой полярной пленки, однако уступают конденсаторам на основе полипропиленовой (неполярной) пленки по величине допустимой переменной составляющей воздействующего напряжения из-за сравнительно повышенных диэлектрических потерь.

Примерами конденсаторов с органическим диэлектриком общего назначения, предназначенных для работы в широком диапазоне электрических режимов являются низковольтные конденсаторы К73-11, К73-17, К73-50, К75-63, К78-2, К78-10.

К специальным конденсаторам с органическим диэлектриком следует отнести:

• конденсаторы переменного напряжения (например, К73-62),
• помехоподавляющие конденсаторы (например, сетевые К73-43, проходные К73-56, опорные К73-57),
• импульсные (например, К75-40, К75-80).

Как отмечалось выше, конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы, К58-…) имеют свою, характерную для этого вида конденсаторов, область реализации номинальных емкостей и их сочетаний с номинальными напряжениями. Номенклатура этих изделий для радиоэлектронной аппаратуры находится, по существу, в стадии формирования. Область их применения определяется тем важным обстоятельством, что по уровню удельной энергоемкости и величине внутреннего сопротивления эти изделия занимают промежуточное положение между конденсаторами и электрохимическими источниками. Это обстоятельство предполагает их применение, как в качестве самостоятельных накопителей заряда и энергии, так и в сочетании с другими конденсаторами и аккумуляторами, в том числе, и в качестве источников относительно большой мощности при их разряде.

 Современная номенклатура отечественных ионисторов представлена в настоящее время двумя видами этих изделий:

• ионисторы с жидким электролитом, представляющие интерес для использования в качестве эффективных накопителей энергии в силовой электронике,
• ионисторы с твердым электролитом, отличающиеся от первых заметно меньшей энергоемкостью, но при этом обладающие уникальной стойкостью к ионизирующим излучениям. Последнее обстоятельство и определяет сферу применения этих изделий в качестве накопителей энергии в функциональных блоках малогабаритной РЭА специальных, в том числе, автономных объектах ВВСТ.

АО «НИИ «Гириконд», являясь первым разработчиком отечественных конденсаторов с двойным электрическим слоем («ионистор» – запатентованное НИИ «Гириконд» товарное наименование этих изделий), в силу ряда объективных обстоятельств, специализируется в последние годы именно на ионисторах с твердым электролитом.

 

Каждый из рассмотренных видов конденсаторов имеет свою область применения в современной аппаратуре и свои направления  развития в соответствии с требованиями их сферы применения. Реализация этих требований в разработках новых изделий с постановкой их на производство являются  основными задачами научно-технической и производственной деятельности АО “НИИ “Гириконд”.

 

За последние годы АО «НИИ «Гириконд» выполнен комплекс НИОКР на договорной и инициативной основе, в результате чего номенклатура выпускаемых предприятием конденсаторов пополнилась целым рядом перспективных конкурентоспособных изделий, отвечающих современным и перспективным требованиям разработчиков и изготовителей РЭА, в том числе, и для решения проблемы импортозамещения.

Так, в результате расширения серии ранее разработанных низковольтных керамических конденсаторов К10-83, их номенклатура пополнилась миниатюрными чип – конденсаторами с размерами в плане 1,0 х 0,5 мм (0402) и группой стабильности емкости Н20, являющейся аналогом широко применяемой в мире группы X7R. Кроме того, в рамках этого мероприятия впервые в России освоены в производстве керамические многослойные конденсаторы с толщиной диэлектрика менее 10 мкм, что позволило существенно повысить удельную емкость конденсаторов и для конденсаторов с номинальным напряжением 6,3 В повысит максимальное значение емкости до 15,0 мкФ.

Номенклатура высоковольтных керамических конденсаторов с повышенными реактивными токами  в диапазонах УВЧ и ОВЧ пополнилась широкой унифицированной серией конкурентоспособных конденсаторов К15-39, что позволяет успешно решать проблему импортозамещения аналогичной серии изделий фирмы АТС в мощной передающей РЭА .Для решения всё более актуальной проблемы ЭМС РЭА весьма полезной является разработанная и освоенная в производстве серия помехоподавляющих опорных керамических конденсаторов К10-85.

АО НИИ «Гириконд» является первым отечественным разработчиком и изготовителем нового поколения танталовых оксидно-электролитических конденсаторов К52-23, необходимых, прежде всего, для использования в качестве накопителей энергии в импульсных модуляторах приёмно-передающих модулей РЛС на АФАР. В результате проведенной работы шкала этих ранее разработанных конденсаторов пополнилась новыми типономиналами и новым типоразмером. Указанные конденсаторы имеют конкурентоспособные значения ЭПС, в том числе, и в области отрицательных температур, а их расширенная унифицированная серия позволяет успешно решать задачу импортозамещения в разрабатываемой и выпускаемой РЭА.

В последнее десятилетие развитие конденсаторов с органическим диэлектриком характеризуется качественным переходом на новое базовое конструктивно-технологическое решение, основой которого является новая технология металлизации полимерных пленок. Указанная технология позволяет заметно повысить уровень рабочей напряженности электрического поля в диэлектрике конденсаторов и, в результате, качественно (в несколько раз!) улучшить массогабаритные характеристики конденсаторов и  поднять уровень номинальных напряжений конденсаторов с чисто пленочным диэлектриком до порядка десятков киловольт.  В результате реализации указанного конструктивно-технологического решения номенклатура конденсаторов с органическим диэлектриком пополнилась:    

• полиэтилетерефталатными конденсаторами общего назначения с  качественно  улучшенными массогабаритными характеристиками  типа К73-76,  К73-84 и К78-54,
• помехоподавляющими конденсаторами К78-53 с повышенными требованиями по электрической прочности,
• снабберными конденсаторами К78-50,
• первыми отечественными пленочными высоковольтными конденсаторами К78-51 с номинальным напряжением до 40 кВ и повышенной в 2,5 раза удельной энергией по сравнению с традиционно выпускаемыми высоковольтными конденсаторами с комбинированы бумажно-пленочным пропитанным диэлектриком.

В целях решения проблемы импортозамещения в области дискретных конденсаторов СВЧ – диапазона разработаны и освоены в производстве миниатюрные тонкопленочные конденсаторы К26-8 с диэлектриком на основе диоксида кремния в чип – исполнении для автоматизированного монтажа.

 

      Подробная информация о выпускаемых предприятием конденсаторах приведена в соответствующих разделах каталога.

 

Конденсатор в цепи переменного и постоянного тока

Если конденсатор присутствует в цепи постоянного тока, то возникающий кратковременный импульс производит его зарядку до значения напряжения источника, после чего движение тока прекращается. Отключенный от источника тока, заряженный конденсатор под действием нагрузки будет очень быстро разряжаться. Его разрядка напоминает кратковременный импульс. При этом, лампа накаливания мигнет один раз и погаснет.

Использование конденсатора

Конденсатор в цепи переменного тока ведет себя совершенно иначе. Зарядка и разрядка  чередуется с периодами колебаний переменного напряжения. Находящаяся в цепи лампа накаливания, соединенная последовательно, как и конденсатор будет визуально излучать непрерывный свет, поскольку промышленная частота колебаний не заметна для человеческого глаза.

Каждый конденсатор обладает емкостным сопротивлением, которое находится в обратной пропорциональной зависимости от его емкости и частоты циклов переменного тока. При таком сопротивлении, электрическая и магнитная энергия не превращается в тепловую. Таким образом, чем выше частота тока, тем ниже значение емкостного сопротивления и наоборот.

На основании этого важного свойства, конденсатор нашел практическое применение в цепях переменного тока, как гасящий элемент в делителях напряжения вместо резисторов. Это особенно актуально при значительном падении напряжения. В этом случае потребовались бы резисторы с большой мощностью и габаритами.

Конденсатор в цепи переменного тока не нагревается, поэтому и не происходит рассеивания энергии. Это связано со смещением напряжения и тока в конденсаторе между собой на 90 градусов. При максимальном напряжении ток равен нулю, при этом, мощность также равна нулю. Значит, никакой работы не совершается, и нагрев отсутствует.

Конденсатор вместо резистора

Это является основной причиной применения во многих случаях, конденсаторов вместо резисторов. Однако, при таком использовании, у конденсатора есть существенный недостаток, который нужно обязательно учитывать. В том случае, когда переменный ток в цепи изменяется, происходит изменение напряжения у нагрузки. Другой недостаток наблюдается, когда отсутствует гальваническая развязка. Поэтому, в целом, конденсаторы, как гасящие элементы, применяются достаточно ограничено. Они используются при относительно стабильном сопротивлении нагрузки. В качестве примера можно привести цепи питания в нагревательных элементах.

Тем не менее, конденсаторы нашли достаточно широкое применение при создании различных частотных фильтров и некоторых видов резонансных схем.

Типы конденсаторов. Металлические конденсаторы с воздушным диэлектриком

Огромное многообразие материалов и технологий, используемых при изготовлении обкладок конденсатора и диэлектрика, приводит к огромному количеству вариантов их применения и такому же многообразию конструктивного оформления (рис. 5.4). Приведенная на рис. 5.4 древовидная схема иллюстрирует деление конденсаторов на основные типы. Две основные ветви образуют конденсаторы, в которых используются полярные и неполярные диэлектрики. Конденсаторы с полярными диэлектриками немедленно выходят из строя при включении в схему с обратной полярностью приложенного напряжения, а также, зачастую, и в цепи переменного тока. Конденсаторы с неполярным диэлектриком различаются, прежде всего, по конструктивному исполнению обкладок: независимые обкладки, фольговые, либо обкладки, в которых металлическая пленка напыляется непосредственно на диэлектрик. Затем более подробная классификация таких конденсаторов производится по типу используемого диэлектрика, хотя некоторые типы диэлектриков могут присутствовать в различных конструктивных вариантах исполнения, а в некоторых и нет (в частности, из-за возможных технологических ограничений). Рис. 5.4 Разновидности конденсаторов В самых общих чертах конденсаторы, максимально приближающиеся по своим характеристикам к идеальным для применения в высококачественных усилителях звуковой частоты, располагаются в нижней части схемы, тогда как конденсаторы с максимальной удельной емкостью располагаются в верхней части схемы. Иными словами, конденсаторы высокого качества оказываются по своим геометрическим размерам меньше, но их удельная емкость относительно занимаемого объема уменьшается в сравнении с более крупными конденсаторами. Металлические конденсаторы с воздушным диэлектриком Данные конденсаторы, без всяких сомнений, предназначены для использования в качестве подстрочных, либо переменных конденсаторов, что определяет их конструктивное исполнение. Они состоят из набора жестких пластин, имеющих форму сектора, и закрепленных на оси вращения. Прежде всего, они используются в высокочастотных цепях, хотя находят применение и в низкочастотных трактах. Из-за чисто конструктивных ограничений, связанных с креплением подвижных пластин, (которые хотя и должны находиться как можно ближе к неподвижным, но все же минимальное расстояние ограничивается условиями электрической прочности воздушного зазора) конденсаторы с воздушным зазором имеют низкие значения емкости, обычно не превышающие значения 500 пФ. Диапазон изменения емкости составляет у них, как правило, десятикратное значение между максимальным значением (подвижные пластины полностью введены в промежутки между неподвижными) и минимальным значением емкости (подвижные пластины полностью выведены из воздушного промежутка). Возможные варианты использования конденсаторов в цепях низкочастотного тракта: • переменный конденсатор с емкостью = 300 пФ включается параллельно входу картриджа с подвижной магнитной системой блока частотной коррекции RIAA, что позволяет оптимизировать нагрузку картриджа со стороны предусилительного каскада; • конденсаторы с емкостью = 50 пФ используются для настройки конденсаторов схемы эквалайзера до точных значений. В схемах ламповых коротковолновых радиоприемников часто использовалось множество подстрочных конденсаторов, и хотя они могут и не соответствовать точному значению емкости, необходимому для конкретного использования, их емкость можно уменьшить: так как медные посеребренные пластины просто припаяны к держателю, то они могут быть легко выпаяны, если необходимо уменьшить емкость такого конденсатора (рис. 5.5). Рис. 5.5 Некоторые типы переменных конденсаторов с воздушным зазором. У показанного справа подстроенного конденсатора ротор несколько выдвинут из корпуса, чтобы были видны пластины конденсатора Пленочные пластиковые фольговые конденсаторы Этот класс конденсаторов является наиболее важным для применения в ламповых усилителях, так как они используются в качестве конденсаторов межкаскадной связи, а также для прецизионных фильтров. Характеристики этих конденсаторов достаточно близки к идеальным, поэтому для характеристики их неидеальности достаточно часто используется тангенс угла диэлектрических потерь, tgδ. На практике наблюдается сильная связь между чисто субъективным понятием доброкачественности конденсатора и значением его параметра tgδ: конденсаторы с низким значением параметра tgδ субъективно просто превосходны. С точки зрения инженерной науки важность параметра tgδ означает не только то, что конденсатор обладает токами утечки, но так же и то, что конденсатор может быть представлен в виде бесконечной эквивалентной схемы лестничного типа, звенья которой состоят из конденсаторов, разделенных резисторами (рис.5.6). Рис. 5.6 Эквивалентная схема замещения реального конденсатора, используемая для моделирования диэлектрических потерь Если зарядить конденсатор, одновременно измеряя напряжение на его выводах вольтметром, имеющим бесконечно большое внутреннее сопротивление, а затем разрядить его, закоротив на короткое время выводы перемычкой, то можно было бы ожидать, что напряжение на выводах окажется равным нулю. Однако в момент снятия закорачивающей перемычки можно будет видеть, что вольтметр зафиксирует напряжение, превышающее нулевое значение. Наглядно это можно себе представить таким образом, что разряженным в первый момент оказался только тот конденсатор, который расположен «рядом» с выводами конденсатора, а остальные конденсаторы оказались как бы «изолированными» сопротивлениями между звеньями схемы, и оказались не полностью разряженными. Снятие закорачивающей перемычки позволило не разряженным конденсатором передать часть заряда на конденсаторы, расположенные рядом с выводами, в силу чего напряжение на выводах конденсатора возросло. Это явление известно как остаточная поляризация диэлектрика и проявляется более явственно по мере увеличения тангенса угла диэлектрических потерь, tg6. Подача на конденсатор переменного напряжения полностью эквивалентна чередующимся циклам его заряда и разряда. Поэтому, любое напряжение, остающееся на выводах конденсатора после прохождения импульса, вызывает искажения. Музыкальный сигнал состоит из последовательности коротких электрических импульсов, поэтому вполне вероятно, что остаточная поляризация диэлектрика является одной из причин, из-за которой, как образно выражаются, «конденсаторы звучат». Некоторые диэлектрики являются полярными, это, правда, не означает, что конденсатор будет поврежден при изменении полярности приложенного постоянного напряжения, а этот термин означает, что на молекулярном уровне диэлектрик состоит из постоянно заряженных электрических диполей. Их с очень грубым приближением можно рассматривать аналогично магнитным диполям, существующим в магнитных материалах. Под действием внешнего электрического поля эти диполи стремятся выстроиться вдоль силовых линий поля. При приложении переменного напряжения, электрическое поле в диэлектрике будет менять свое направление, постоянно заставляя диполи следовать за изменением поля. Такие постоянные изменения ориентации диполя вызовут так называемые диэлектрические потери, которые должны возрастать с увеличением частоты переменного поля. Однако, при очень высоких значениях частоты диполи уже не будут успевать следовать за изменением электрического поля, поэтому потери сначала перестанут возрастать, а затем будут снижаться. Очень упрощенно картину можно представить следующим образом. Диполи могут быть представлены в виде индивидуальных блоков, обладающих определенной массой и имеющих центр массы, которые покоятся на резиновом основании и вращаются при натягивании резиновых лент, закрепленных на концах блока. При натягивании одной резиновой ленты ничего не будет происходить до того момента, пока не будет преодолена сила трения (сила статического трения покоя), однако, после начала вращения блока он быстро переходит в новое положение, потому что трение движения всегда меньше трения покоя. В первый момент, если потянуть за все ленты всех блоков, начнут вращаться только некоторые блоки, так как силы трения покоя между отдельными блоками и поверхности резинового основания не будут одинаковыми для всех блоков. Если пытаться поворачивать блоки все быстрее и быстрее, то придется затрачивать все больше энергии для преодоления залипания (трения покоя), пока не наступит момент, при котором частота приложения усилия будет слишком высока, так как при этом будет изменяться только сила натяжения резиновой ленты, поэтому все меньшее количество блоков будет продолжать перемешаться. Так двигается меньше блоков, приходится преодолевать меньшее сопротивление трения покоя, меньше энергии поглощается, и поэтому потери начинают снижаться. Этот механизм настолько похож на механизм магнитного гистерезиса, что иногда называется диэлектрическим гистерезисом, а данная модель с одинаковым успехом используется для объяснения магнитных потерь. Из-за этой зависимости потерь от частоты, которые начинают проявляться примерно в середине звукового диапазона и достигают максимума на нижней границе высокочастотного диапазона, конденсаторы, в которых используются полярные диэлектрики, не представляются идеальными для использования в звуковоспроизводящей аппаратуре. Напротив, потери неполярных диэлектриков не зависят от частоты почти до СВЧ диапазона. Практически все диэлектрики, у которых εr > 2,5, являются полярными (табл. 5.1). Таблица 5.1 Диэлектрик Имя εr d Полярность Политетрафторэтилен PTFE, дефлон™ 2,1 0,0002 север Полистирол   2,6 0,0002-0,0005 север Полипропилен   2,2 0,0005 север Поликарбонат   3,2-3,0 0,001-0,01 юг Полиэтилентерефталат PET, полистер 3,2-3,9 0,002-0,015 юг Пленочные фольговые конденсаторы изготавливаются последовательным чередованием четырех различных слоев из диэлектрика и фольги, которые затем сворачиваются в цилиндр. Плотное свертывание этих четырех слоев в процессе изготовления конденсатора представляет далеко не простую задачу, и эта операция часто является одной из основных причин повышенной стоимости этих конденсаторов. Ленты из фольги при сворачивании в цилиндр располагаются таким образом, что они оказываются слегка смещенными своими боковыми границами одна относительно другой, поэтому с одного торца цилиндра расположена спирально намотанная лента одной обкладки, тогда как противоположенную сторону торца цилиндра образуют спирально расположенные витки второй обкладки конденсатора. Затем на каждый торец распылением наносится цинк, который электрически соединяет все точки спирально намотанной фольги (эта операция позволяет значительно снизить индуктивность конденсатора), к которому затем привариваются или припаиваются контактные выводы. Из-за низкой температуры плавления полистирола в конденсаторах с небольшой емкостью (менее 100 нФ), в которых в качестве диэлектрика используется полистирол, контактный слой может наноситься не на всю торцевую поверхность цилиндра, образованную спирально намотанной лентой, а только на центральную часть, радиус которой составляет примерно 2/3 всего радиуса, что приводит к значительному возрастанию паразитной индуктивности. Тем не менее, для современных полистироловых фольговых конденсаторов проблема создания сплошного контакта по всей торцевой поверхности была решена (рис. 5.7). Рис. 5.7 Внутреннее устройство полистиролового конденсатора Достаточно часто рядом с одним из внешних выводов полистиролового конденсатора наносится красная или желтая полоска. Она вовсе не означает, что полистироловые конденсаторы являются чувствительными к полярности включения в схеме, а просто обозначает, что данный вывод соединен со слоем фольги, который оказывается при намотке внешним относительно второй обкладки конденсатора. Этот фактор может иметь принципиальное значение, если один вывод конденсатора подключается к менее чувствительной части схемы по сравнению с другим своим выводом. Например, если полистироловый конденсатор с небольшой емкостью используется в схеме активного кроссовера и включается как последовательный конденсатор связи (фильтр высоких частот), то помеченный полоской вывод должен быть подключен со стороны источника для снижения наведенного фонового шума. С другой стороны, если один из выводов конденсатора должен быть подключен к земле, то это должен быть помеченный вывод, чтобы снизить паразитную емкость для сигнала (паразитные емкости относительно земли достаточно редко вызывают проблемы, а вот действие эффекта Миллера может действительно привести к большим значениям паразитных емкостей и вызванных этим проблемам).

Энергия заряженного конденсатора. применение конденсаторов

Присоединим цепь, состоящую из незаряженного конденсатора емкостью С и резистора с сопротивлением R, к источнику питания с постоянным напряжением U (рис. 16-4).

Так как в момент включения конденсатор еще не заряжен, то напряжение на нем Поэтому в цепи в начальный момент времени падение напряжения на сопротивлении R равно U и возникает ток, сила которого

Рис. 16-4. Зарядка конденсатора.

Прохождение тока i сопровождается постепенным накоплением заряда Q на конденсаторе, на нем появляется напряжение и падение напряжения на сопротивлении R уменьшается:

как и следует из второго закона Кирхгофа. Следовательно, сила тока

уменьшается, уменьшается и скорость накопления заряда Q, так как ток в цепи

С течением времени конденсатор продолжает заряжаться, но заряд Q и напряжение на нем растут все медленнее (рис. 16-5), а сила тока в цепи постепенно уменьшается пропорционально разности – напряжений

Рис. 16-5. График изменения тока и напряжения при зарядке конденсатора.

Через достаточно большой интервал времени (теоретически бесконечно большой) напряжение на конденсаторе достигает величины, равной напряжению источника питания, а ток становится равным нулю – процесс зарядки конденсатора заканчивается.

Процесс зарядки конденсатора тем продолжительней, чем больше сопротивление цепи R, ограничивающее силу тока, и чем больше емкость конденсатора С, так как при большой емкости должен накопиться больший заряд. Скорость протекания процесса характеризуют постоянной времени цепи

чем больше , тем медленнее процесс.

Постоянная времени цепи имеет размерность времени, так как

Через интервал времени с момента включения цепи, равный , напряжение на конденсаторе достигает примерно 63% напряжения источника питания, а через интервал процесс зарядки конденсатора можно считать закончившимся.

Напряжение на конденсаторе при зарядке

т. е. оно равно разности постоянного напряжения источника питания и свободного напряжения убывающего с течением времени по закону показательной функции от значения U до нуля (рис. 16-5).

Зарядный ток конденсатора

Ток от начального значения постепенно уменьшается по закону показательной функции (рис. 16-5).

б) Разряд конденсатора

Рассмотрим теперь процесс разряда конденсатора С, который был заряжен от источника питания до напряжения U через резистор с сопротивлением R (рис. 16-6, Где переключатель переводится из положения 1 в положение 2).

Рис. 16-6. Разряд конденсатора на резистор.

Рис. 16-7. График изменения тока и напряжения при разрядке конденсатора.

В начальный момент, в цепи возникнет ток и конденсатор начнет разряжаться, а напряжение на нем уменьшаться. По мере уменьшения напряжения будет уменьшаться и ток в цепи (рис. 16-7). Через интервал времени напряжение на конденсаторе и ток цепи уменьшатся при мерно до 1% начальных значений и процесс разряда конденсатора можно считать закончившимся.

Напряжение на конденсаторе при разряде

т. е. уменьшается по закону показательной функции (рис. 16-7).

Разрядный ток конденсатора

т. е. он, так же как и напряжение, уменьшается по тому же закону (рис. 6-7).

Вся энергия, запасенная при зарядке конденсатора в его электрическом поле, при разряде выделяется в виде тепла в сопротивлении R.

Электрическое поле заряженного конденсатора, отсоединенного от источника питания, не может долго сохраняться неизменным, так как диэлектрик конденсатора и изоляция между его зажимами обладают некоторой проводимостью.

Разряд конденсатора, обусловленный несовершенством диэлектрика и изоляции, называется саморазрядом. Постоянная времени при саморазряде конденсатора не зависит от формы обкладок и расстояния между ними.

Процессы зарядки и разряда конденсатора называются переходными процессами.

Печать

Конденсатор – электронный компонент, предназначенный для накопления электрического заряда. Способность конденсатора накапливать электрический заряд зависит от его главной характеристики – емкости . Емкость конденсатора (С) определяется как соотношение количества электрического заряда (Q) к напряжению (U).

Емкость конденсатора измеряется в фарадах (F) – единицах, названых в честь британского ученого физика Майкла Фарадея. Емкость в один фарад (1F) равняется количеству заряда в один кулон (1C), создающему напряжение на конденсаторе в один вольт (1V). Вспомним, что один кулон (1С) равняется величине заряда, прошедшего через проводник за одну секунду (1sec) при силе тока в один ампер (1A).

Однако кулон, это очень большое количество заряда относительно того, сколько способно хранить большинство конденсаторов. По этой причине, для измерения емкости обычно используют микрофарады (µF или uF), нанофарады (nF) и пикофарады (pF).

• 1µF = 0.000001 = 10 -6 F

• 1nF = 0.000000001 = 10 -9 F

• 1pF = 0.000000000001 = 10 -12 F

Плоский конденсатор

Существует множество типов конденсаторов различной формы и внутреннего устройства. Рассмотрим самый простой и принципиальный — плоский конденсатор. Плоский конденсатор состоит из двух параллельных пластин проводника (обкладок), электрически изолированных друг от друга воздухом, или специальным диэлектрическим материалом (например бумага, стекло или слюда).

Устройство конденсатора

Заряд конденсатора. Ток

По своему предназначению конденсатор напоминает батарейку, однако все же он сильно отличается по принципу работы, максимальной емкости, а также скорости зарядки/разрядки.

Рассмотрим принцип работы плоского конденсатора. Если подключить к нему источник питания, на одной пластине проводника начнут собираться отрицательно заряженные частицы в виде электронов, на другой – положительно заряженные частицы в виде ионов. Поскольку между обкладками находиться диэлектрик, заряженные частицы не могут «перескочить» на противоположную сторону конденсатора. Тем не менее, электроны передвигаются от источника питания — до пластины конденсатора. Поэтому в цепи идет электрический ток.

В самом начале включения конденсатора в цепь, на его обкладках больше всего свободного места. Следовательно, начальный ток в этот момент встречает меньше всего сопротивления и является максимальным. По мере заполнения конденсатора заряженными частицами ток постепенно падает, пока не закончится свободное место на обкладках и ток совсем не прекратится.

Время между состояниями «пустого» конденсатора с максимальным значением тока, и «полного» конденсатора с минимальным значением тока (т.е. его отсутствием), называют переходным периодом заряда конденсатора.

Напряжение

В самом начале переходного периода зарядки, напряжение между обкладками конденсатора равняется нулю. Как только на обкладках начинают появляться заряженные частицы, между разноименными зарядами возникает напряжение. Причиной этому является диэлектрик между пластинами, который «мешает» стремящимся друг к другу зарядам с противоположным знаком перейти на другую сторону конденсатора.

На начальном этапе зарядки, напряжение быстро растет, потому что большой ток очень быстро увеличивает количество заряженных частиц на обкладках. Чем больше заряжается конденсатор, тем меньше ток, и тeм медленнее растет напряжение. В конце переходного периода, напряжение на конденсаторе полностью прекратит рост, и будет равняться напряжению на источнике питания.

Как видно на графике, сила тока конденсатора напрямую зависит от изменения напряжения.

Формула для нахождения тока конденсатора во время переходного периода:

• Ic — ток конденсатора

• C — Емкость конденсатора

• ?Vc/?t – Изменение напряжения на конденсаторе за отрезок времени

После того как конденсатор зарядился, отключим источник питания и подключим нагрузку R. Так как конденсатор уже заряжен, он сам превратился в источник питания. Нагрузка R образовала проход между пластинами. Отрицательно заряженные электроны, накопленные на одной пластине, согласно силе притяжения между разноименными зарядами, двинутся в сторону положительно заряженных ионов на другой пластине.

В момент подключения R, напряжение на конденсаторе то же, что и после окончания переходного периода зарядки. Начальный ток по закону Ома будет равняться напряжению на обкладках, разделенном на сопротивление нагрузки.

Как только в цепи пойдет ток, конденсатор начнет разряжаться. По мере потери заряда, напряжение начнет падать. Следовательно, ток тоже упадет. По мере понижения значений напряжения и тока, будет снижаться их скорость падения.

Время зарядки и разрядки конденсатора зависит от двух параметров – емкости конденсатора C и общего сопротивления в цепи R. Чем больше емкость конденсатора, тем большее количество заряда должно пройти по цепи, и тем больше времени потребует процесс зарядки/разрядки (ток определяется как количество заряда, прошедшего по проводнику за единицу времени). Чем больше сопротивление R, тем меньше ток. Соответственно, больше времени потребуется на зарядку.

Продукт RC (сопротивление, умноженное на емкость) формирует временную константу ? (тау). За один ? конденсатор заряжается или разряжается на 63%. За пять ? конденсатор заряжается или разряжается полностью.

Для наглядности подставим значения: конденсатор емкостью в 20 микрофарад, сопротивление в 1 килоом и источник питания в 10В. Процесс заряда будет выглядеть следующим образом:

Устройство конденсатора. От чего зависит емкость?

Емкость плоского конденсатора зависит от трех основных факторов:

• Площадь пластин — A

• Расстояние между пластинами – d

• Относительная диэлектрическая проницаемость вещества между пластинами — ?

Чем больше площадь пластин конденсатора, тем больше заряженых частиц могут на них разместится, и тем больше емкость.

Расстояние между пластинами

Емкость конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Для того чтобы объяснить природу влияния этого фактора, необходимо вспомнить механику взаимодействия зарядов в пространстве (электростатику).

Если конденсатор не находится в электрической цепи, то на заряженные частицы, расположенные на его пластинах влияют две силы. Первая — это сила отталкивания между одноименными зарядами соседних частиц на одной пластине. Вторая – это сила притяжения разноименных зарядов между частицами, находящимися на противоположных пластинах. Получается, что чем ближе друг к другу находятся пластины, тем больше суммарная сила притяжения зарядов с противоположным знаком, и тем больше заряда может разместится на одной пластине.

Относительная диэлектрическая проницаемость

Не менее значимым фактором, влияющим на емкость конденсатора, является такое свойство материала между обкладками как относительная диэлектрическая проницаемость? . Это безразмерная физическая величина, которая показывает во сколько раз сила взаимодействия двух свободных зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме.

Материалы с более высокой диэлектрической проницаемостью позволяют обеспечить большую емкость. Объясняется это эффектом поляризации – смещением электронов атомов диэлектрика в сторону положительно заряженной пластины конденсатора.

Поляризация создает внутренне электрическое поле диэлектрика, которое ослабляет общую разность потенциала (напряжения) конденсатора. Напряжение U препятствует притоку заряда Q на конденсатор. Следовательно, понижение напряжения способствует размещению на конденсаторе большего количества электрического заряда.

Ниже приведены примеры значений диэлектрической проницаемости для некоторых изоляционных материалов, используемых в конденсаторах.

• Бумага – от 2.5 до 3.5

• Стекло – от 3 до 10

• Слюда – от 5 до 7

• Порошки оксидов металлов – от 6 до 20

Номинальное напряжение

Второй по значимости характеристикой после емкости является максимальное номинальное напряжение конденсатора . Данный параметр обозначает максимальное напряжение, которое может выдержать конденсатор. Превышение этого значения приводит к «пробиванию» изолятора между пластинами и короткому замыканию. Номинальное напряжение зависит от материала изолятора и его толщины (расстояния между обкладками).

Следует отметить, что при работе с переменным напряжением нужно учитывать именно пиковое значение (наибольшее мгновенное значение напряжения за период). Например, если эффективное напряжение источника питания будет 50В, то его пиковое значение будет свыше 70В. Соответственно необходимо использовать конденсатор с номинальным напряжением более 70В. Однако на практике, рекомендуется использовать конденсатор с номинальным напряжением не менее в два раза превышающим максимально возможное напряжение, которое будет к нему приложено.

Ток утечки

Также при работе конденсатора учитывается такой параметр как ток утечки. Поскольку в реальной жизни диэлектрик между пластинами все же пропускает маленький ток, это приводит к потере со временем начального заряда конденсатора.

Заряд конденсатора

Для того чтобы зарядить конденсатор, необходимо включить его в цепь постоянного тока. На рис. 1 показана схема заряда конденсатора. Конденсатор С присоединен к зажимам генератора. При помощи ключа можно замкнуть или разомкнуть цепь. Рассмотрим подробно процесс заряда конденсатора.

Генератор обладает внутренним сопротивлением. При замыкании ключа конденсатор зарядится до напряжения между обкладками, равного э. д. с. генератора: Uс = Е. При этом обкладка, соединенная с положительным зажимом генератора, получает положительный заряд (+q ), а вторая обкладка получает равный по величине отрицательный заряд (-q ). Величина заряда q прямо пропорциональна емкости конденсатора С и напряжению на его обкладках: q = CUc

P ис. 1

Для того чтобы обкладки конденсатора зарядились, необходимо, чтобы одна из них приобрела, а другая потеряла некоторое количество электронов. Перенос электронов от одной обкладки к другой совершается по внешней цепи электродвижущей силой генератора, а сам процесс перемещения зарядов по цепи есть не что иное, как электрический ток, называемый зарядным емкостным током I зар.

Зарядный ток в цени протекает обычно тысячные доли секунды до тех пор, пока напряжение на конденсаторе достигнет величины, равной э. д. с. генератора. График нарастания напряжения на обкладках конденсатора в процессе его заряда представлен на рис. 2,а, из которого видно, что напряжение Uc плавно увеличивается, сначала быстро, а затем все медленнее, пока не станет равным э. д. с. генератора Е. После этого напряжение на конденсаторе остается неизменным.

Рис. 2. Графики напряжения и тока при заряде конденсатора

Пока конденсатор заряжается, по цепи проходит зарядный ток. График зарядного тока показан на рис. 2,б. В начальный момент зарядный ток имеет наибольшую величину, потому что напряжение на конденсаторе еще равно нулю, и по закону Ома io зар = E/ Ri , так как вся э. д. с. генератора приложена к сопротивлению Ri.

По мере того как конденсатор заряжается, т. е. возрастает напряженно на нем, для зарядного тока уменьшается. Когда напряженно па конденсаторе уже имеется, падение напряжения на сопротивление будет равно разности между э. д. с. генератора и напряжением на конденсаторе, т. е. равно Е – U с. Поэтому i зар = (E-Uс)/Ri

Отсюда видно, что с увеличением Uс уменьшается i зар и при Uс = E зарядный ток становится равным нулю.

Продолжительность процесса заряда конденсатора зависит от двух величии:

1) от внутреннего сопротивления генератора Ri ,

2) от емкости конденсатора С.

На рис. 2 показаны графики нарядных токов для конденсатора емкостью 10 мкф: кривая 1 соответствует процессу заряда от генератора с э. д. с. Е = 100 В и с внутренним сопротивлением Ri = 10 Ом, кривая 2 соответствует процессу заряда от генератора с такой же э. д. с, но с меньшим внутренним сопротивлением: Ri = 5 Ом.

Из сравнения этих кривых видно, что при меньшем внутреннем сопротивлении генератора сила нарядного тока в начальный момент больше, и поэтому процесс заряда происходит быстрее.

Рис. 2. Графики зарядных токов при разных сопротивлениях

На рис. 3 дается сравнение графиков зарядных токов при заряде от одного и того же генератора с э. д. с. Е = 100 В и внутренним сопротивлением Ri = 10 ом двух конденсаторов разной емкости: 10 мкф (кривая 1) и 20 мкф (кривая 2).

Величина начального зарядного тока io зар = Е/Ri = 100/10 = 10 А одинакова для обоих конденсаторов, по так как конденсатор большей емкости накапливает большее количество электричества, то зарядный его ток должен проходить дольше, и процесс заряда получается более длительным.

Рис. 3. Графики зарядных токов при разных емкостях

Разряд конденсатора

Отключим заряженный конденсатор от генератора и присоединим к его обкладкам сопротивление.

На обкладках конденсатора имеется напряжение U с, поэтому в замкнутой электрической цепи потечет ток, называемый разрядным емкостным током i разр.

Ток идет от положительной обкладки конденсатора через сопротивление к отрицательной обкладке. Это соответствует переходу избыточных электронов с отрицательной обкладки на положительную, где их недостает. Процесс рам ряда происходит до тех пор, пока потенциалы обеих обкладок не сравняются, т. е. разность потенциалов между ними станет равном нулю: Uc=0 .

На рис. 4, а показан график уменьшения напряжения на конденсаторе при разряде от величины Uc о =100 В до нуля, причем напряжение уменьшается сначала быстро, а затем медленнее.

На рис. 4,б показан график изменения разрядного тока. Сила разрядного тока зависит от величины сопротивления R и по закону Ома i разр = Uc /R

Рис. 4. Графики напряжения и токов при разряде конденсатора

В начальный момент, когда напряжение па обкладках конденсатора наибольшее, сила разрядного тока также наибольшая, а с уменьшением Uc в процессе разряда уменьшается и разрядный ток. При Uc=0 разрядный ток прекращается.

Продолжительность разряда зависит:

1) от емкости конденсатора С

2) от величины сопротивления R , на которое конденсатор разряжается.

Чем больше сопротивление R , тем медленнее будет происходить разряд. Это объясняется тем, что при большом сопротивлении сила разрядного тока невелика и величина заряда на обкладках конденсатора уменьшается медленно.

Это можно показать на графиках разрядного тока одного и того же конденсатора, имеющего емкость 10 мкф и заряженного до напряжения 100 В, при двух разных величинах сопротивления (рис. 5): кривая 1 – при R = 40 Ом, i оразр = Uc о/R = 100/40 = 2,5 А и кривая 2 – при 20 Ом i оразр = 100/20 = 5 А.

Рис. 5. Графики разрядных токов при разных сопротивлениях

Разряд происходит медленнее также тогда, когда емкость конденсатора велика. Получается это потому, что при большей емкости на обкладках конденсатора имеется большее количество электричества (больший заряд) и для стекания заряда потребуется больший промежуток времени. Это наглядно показывают графики разрядных токов для двух конденсаторов раиной емкости, заряженных до одного и того же напряжения 100 В и разряжающихся на сопротивление R =40 Ом (рис. 6 : кривая 1 – для конденсатора емкостью 10 мкф и кривая 2 – для конденсатора емкостью 20 мкф).

Рис. 6. Графики разрядных токов при разных емкостях

Из рассмотренных процессов можно сделать вывод, что в цепи с конденсатором ток проходит только в моменты заряда и разряда, когда напряжение на обкладках меняется.

Объясняется это тем, что при изменении напряжения изменяется величина заряда на обкладках, а для этого требуется перемещение зарядов по цепи, т. е. по цепи должен проходить электрический ток. Заряженный конденсатор не пропускает постоянный ток, так как диэлектрик между его обкладками размыкает цепь.

Энергия конденсатора

В процессе заряда конденсатор накапливает энергию, получая ее от генератора. При разряде конденсатора вся энергия электрического поля переходит в тепловую энергию, т. е. идет на нагрев сопротивления, через которое разряжается конденсатор. Чем больше емкость конденсатора и напряжение на его обкладках, тем больше будет энергия электрического поля конденсатора. Величина энергии, которой обладает конденсатор емкостью С, заряженный до напряжения U, равна: W = W с = СU 2 /2

Пример. Конденсатор С=10 мкф заряжен до напряжении U в = 500 В. Определить энергию, которая выделится в вило тепла на сопротивлении, через которое разряжается конденсатор.

Решение. Пpи разряде вся энергия, запасенная конденсатором, перейдет в тепловую. Поэтому W = W с = СU 2 /2 = (10 х 10 -6 х 500)/2 = 1,25 дж.

Темы кодификатора ЕГЭ : электрическая ёмкость, конденсатор, энергия электрического поля конденсатора.

Предыдущие две статьи были посвящены отдельному рассмотрению того, каким образом ведут себя в электрическом поле проводники и каким образом – диэлектрики. Сейчас нам понадобится объединить эти знания. Дело в том, что большое практическое значение имеет совместное использование проводников и диэлектриков в специальных устройствах – конденсаторах .

Но прежде введём понятие электрической ёмкости .

Ёмкость уединённого проводника

Предположим, что заряженный проводник расположен настолько далеко от всех остальных тел, что взаимодействие зарядов проводника с окружающими телами можно не принимать во внимание. В таком случае проводник называется уединённым .

Потенциал всех точек нашего проводника, как мы знаем, имеет одно и то же значение , которое называется потенциалом проводника. Оказывается, что потенциал уединённого проводника прямо пропорционален его заряду . Коэффициент пропорциональности принято обозначать , так что

Величина называется электрической ёмкостью проводника и равна отношению заряда проводника к его потенциалу:

(1)

Например, потенциал уединённого шара в вакууме равен:

где – заряд шара, – его радиус. Отсюда ёмкость шара:

(2)

Если шар окружён средой-диэлектриком с диэлектрической проницаемостью , то его потенциал уменьшается в раз:

Соответственно, ёмкость шара в раз увеличивается:

(3)

Увеличение ёмкости при наличии диэлектрика – важнейший факт. Мы ещё встретимся с ним при рассмотрении конденсаторов.

Из формул (2) и (3) мы видим, что ёмкость шара зависит только от его радиуса и диэлектрической проницаемости окружающей среды. То же самое будет и в общем случае: ёмкость уединённого проводника не зависит от его заряда; она определяется лишь размерами и формой проводника, а также диэлектрической проницаемостью среды, окружающей проводник. От вещества проводника ёмкость также не зависит.

В чём смысл понятия ёмкости? Ёмкость показывает, какой заряд нужно сообщить проводнику, чтобы увеличить его потенциал на В . Чем больше ёмкость – тем, соответственно, больший заряд требуется поместить для этого на проводник.

Единицей измерения ёмкости служит фарад (Ф). Из определения ёмкости (1) видно, что Ф = Кл/В.

Давайте ради интереса вычислим ёмкость земного шара (он является проводником!). Радиус считаем приближённо равным км.

МкФ.

Как видите, Ф – это очень большая ёмкость.

Единица измерения ёмкости полезна ещё и тем, что позволяет сильно сэкономить на обозначении размерности диэлектрической постоянной . В самом деле, выразим из формулы (2) :

Следовательно, диэлектрическая постоянная может измеряться в Ф/м:

Так легче запомнить, не правда ли?

Ёмкость плоского конденсатора

Ёмкость уединённого проводника на практике используется редко. В обычных ситуациях проводники не являются уединёнными. Заряженный проводник взаимодействует с окружающими телами и наводит на них заряды, а потенциал поля этих индуцированных зарядов (по принципу суперпозиции!) изменяет потенциал самого проводника. В таком случае уже нельзя утверждать, что потенциал проводника будет прямо пропорционален его заряду, и понятие ёмкости проводника самого по себе фактически утрачивает смысл.

Можно, однако, создать систему заряженных проводников, которая даже при накоплении на них значительного заряда почти не взаимодействует с окружающими телами. Тогда мы сможем снова говорить о ёмкости – но на сей раз о ёмкости этой системы проводников.

Наиболее простым и важным примером такой системы является плоский конденсатор . Он состоит из двух параллельных металлических пластин (называемых обкладками ), разделённых слоем диэлектрика. При этом расстояние между пластинами много меньше их собственных размеров.

Для начала рассмотрим воздушный конденсатор, у которого между обкладками находится воздух

Пусть заряды обкладок равны и . Именно так и бывает в реальных электрических схемах: заряды обкладок равны по модулю и противоположны по знаку. Величина – заряд положительной обкладки – называется зарядом конденсатора .

Пусть – площадь каждой обкладки. Найдём поле, создаваемое обкладками в окружающем пространстве.

Поскольку размеры обкладок велики по сравнению с расстоянием между ними, поле каждой обкладки вдали от её краёв можно считать однородным полем бесконечной заряженной плоскости:

Здесь – напряжённость поля положительной обкладки, – напряженность поля отрицательной обкладки, – поверхностная плотность зарядов на обкладке:

На рис. 1 (слева) изображены векторы напряжённости поля каждой обкладки в трёх областях: слева от конденсатора, внутри конденсатора и справа от конденсатора.

Рис. 1. Электрическое поле плоского конденсатора

Согласно принципу суперпозиции, для результирующего поля имеем:

Нетрудно видеть, что слева и справа от конденсатора поле обращается в нуль (поля обкладок погашают друг друга):

Внутри конденсатора поле удваивается:

(4)

Результирующее поле обкладок плоского конденсатора изображено на рис. 1 справа. Итак:

Внутри плоского конденсатора создаётся однородное электрическое поле, напряжённость которого находится по формуле (4) . Снаружи конденсатора поле равно нулю, так что конденсатор не взаимодействует с окружающими телами.

Не будем забывать, однако, что данное утверждение выведено из предположения, будто обкладки являются бесконечными плоскостями. На самом деле их размеры конечны, и вблизи краёв обкладок возникают так называемые краевые эффекты : поле отличается от однородного и проникает в наружное пространство конденсатора. Но в большинстве ситуаций (и уж тем более в задачах ЕГЭ по физике) краевыми эффектами можно пренебречь и действовать так, словно утверждение, выделенное курсивом, является верным без всяких оговорок.

Пусть расстояние между обкладками конденсатора равно . Поскольку поле внутри конденсатора является однородным, разность потенциалов между обкладками равна произведению на (вспомните связь напряжения и напряжённости в однородном поле!):

(5)

Разность потенциалов между обкладками конденсатора, как видим, прямо пропорциональна заряду конденсатора. Данное утверждение аналогично утверждению «потенциал уединённого проводника прямо пропорционален заряду проводника», с которого и начался весь разговор о ёмкости. Продолжая эту аналогию, определяем ёмкость конденсатора как отношение заряда конденсатора к разности потенциалов между его обкладками:

(6)

Ёмкость конденсатора показывает, какой заряд ему нужно сообщить, чтобы разность потенциалов между его обкладками увеличилась на В. Формула (6) , таким образом, является модификацией формулы (1) для случая системы двух проводников – конденсатора.

Из формул (6) и (5) легко находим ёмкость плоского воздушного конденсатора :

(7)

Она зависит только от геометрических характеристик конденсатора: площади обкладок и расстояния между ними.
Предположим теперь, что пространство между обкладками заполнено диэлектриком с диэлектрической проницаемостью . Как изменится ёмкость конденсатора?

Напряжённость поля внутри конденсатора уменьшится в раз, так что вместо формулы (4) теперь имеем:

(8)

Соответственно, напряжение на конденсаторе:

(9)

Отсюда ёмкость плоского конденсатора с диэлектриком :

(10)

Она зависит от геометрических характеристик конденсатора (площади обкладок и расстояния между ними) и от диэлектрической проницаемости диэлектрика, заполняющего конденсатор.

Важное следствие формулы (10) : заполнение конденсатора диэлектриком увеличивает его ёмкость .

Энергия заряженного конденсатора

Заряженный конденсатор обладает энергией. В этом можно убедиться на опыте. Если зарядить конденсатор и замкнуть его на лампочку, то (при условии, что ёмкость конденсатора достаточно велика) лампочка ненадолго загорится.

Следовательно, в заряженном конденсаторе запасена энергия, которая и выделяется при его разрядке. Нетрудно понять, что этой энергией является потенциальная энергия взаимодействия обкладок конденсатора – ведь обкладки, будучи заряжены разноимённо, притягиваются друг к другу.

Мы сейчас вычислим эту энергию, а затем увидим, что существует и более глубокое понимание происхождения энергии заряженного конденсатора.

Начнём с плоского воздушного конденсатора. Ответим на такой вопрос: какова сила притяжения его обкладок друг к другу? Величины используем те же: заряд конденсатора , площадь обкладок .

Возьмём на второй обкладке настолько маленькую площадку, что заряд этой площадки можно считать точечным. Данный заряд притягивается к первой обкладке с силой

где – напряжённость поля первой обкладки:

Следовательно,

Направлена эта сила параллельно линиям поля (т. е. перпендикулярно пластинам).

Результирующая сила притяжения второй обкладки к первой складывается из всех этих сил , с которыми притягиваются к первой обкладке всевозможные маленькие заряды второй обкладки. При этом суммировании постоянный множитель вынесется за скобку, а в скобке просуммируются все и дадут . В результате получим:

(11)

Предположим теперь, что расстояние между обкладками изменилось от начальной величины до конечной величины . Сила притяжения пластин совершает при этом работу:

Знак правильный: если пластины сближаются , то сила совершает положительную работу, так как пластины притягиваются друг к другу. Наоборот, если удалять пластины alt=”(d_2 > d_1)”> , то работа силы притяжения получается отрицательной, как и должно быть.

С учётом формул (11) и (7) имеем:

Это можно переписать следующим образом:

(12)

Работа потенциальной силы притяжения обкладок оказалась равна изменению со знаком минус величины . Это как раз и означает, что – потенциальная энергия взаимодействия обкладок, или энергия заряженного конденсатора .

Используя соотношение , из формулы (12) можно получить ещё две формулы для энергии конденсатора (убедитесь в этом самостоятельно!):

(13)

(14)

Особенно полезными являются формулы (12) и (14) .

Допустим теперь, что конденсатор заполнен диэлектриком с диэлектрической проницаемостью . Сила притяжения обкладок уменьшится в раз, и вместо (11) получим:

При вычислении работы силы , как нетрудно видеть, величина войдёт в ёмкость , и формулы (12) – (14) останутся неизменными . Ёмкость конденсатора в них теперь будет выражаться по формуле (10) .

Итак, формулы (12) – (14) универсальны: они справедливы как для воздушного конденсатора, так и для конденсатора с диэлектриком.

Энергия электрического поля

Мы обещали, что после вычисления энергии конденсатора дадим более глубокое истолкование происхождения этой энергии. Что ж, приступим.

Рассмотрим воздушный конденсатор и преобразуем формулу (14) для его энергии:

Но – объём конденсатора. Получаем:

(15)

Посмотрите внимательно на эту формулу. Она уже не содержит ничего, что являлось бы специфическим для конденсатора! Мы видим энергию электрического поля , сосредоточенного в некотором объёме .

Энергия конденсатора есть не что иное, как энергия заключённого внутри него электрического поля.

Итак, электрическое поле само по себе обладает энергией. Ничего удивительного для нас тут нет. Радиоволны, солнечный свет – это примеры распространения энергии, переносимой в пространстве электромагнитными волнами.

Величина – энергия единицы объёма поля – называется объёмной плотностью энергии . Из формулы (15) получим:

(16)

В этой формуле не осталось вообще никаких геометрических величин. Она даёт максимально чистую связь энергии электрического поля и его напряжённости.

Если конденсатор заполнен диэлектриком, то его ёмкость увеличивается в раз, и вместо формул (15) и (16) будем иметь:

(17)

(18)

Как видим, энергия электрического поля зависит ещё и от диэлектрической проницаемости среды, в которой поле находится.
Замечательно, что полученные формулы для энергии и плотности энергии выходят далеко за пределы электростатики: они справедливы не только для электростатического поля, но и для электрических полей, меняющихся во времени.

Инструкция

Видео по теме

Компаратор как замена конденсатору в обычной игре

В обычном (без плагинов и модов) варианте Minecraft такого понятия, как конденсатор, не существует. Вернее, устройство, выполняющее его функции, имеется, но название у него совершенно другое – компаратор. Некоторая путаница в этом плане произошла еще в период разработки такого прибора. Сперва – в ноябре 2012-го – представители Mojang (компании-создателя игры) объявили о скором появлении в геймплее конденсатора. Однако через месяц они высказались уже о том, что как такового этого прибора не будет, а вместо него в игре будет компаратор.

Подобное устройство существует для проверки заполненности расположенных позади него контейнеров. Таковыми могут быть сундуки (в том числе в виде ловушек), варочные стойки, раздатчики, выбрасыватели, печи, загрузочные воронки и т.п.

Помимо этого, его часто используют для сравнения двух сигналов редстоуна между собою – он выдает результат в соответствии с тем, как было запрограммировано в данной цепи, и с тем, какой режим выбран для самого механизма. В частности, компаратор может разрешить зажигание факела, если первый сигнал больше либо равен другому.

Также порой конденсатор-компаратор устанавливают рядом с проигрывателем, подключая его входом к последнему. Когда в звуковоспроизводящем устройстве проигрывается какая-либо пластинка, вышеупомянутый прибор будет выдавать сигнал, равный по силе порядковому номеру диска.

Скрафтить такой компаратор несложно, если имеется достаточно трудно добываемый ресурс – адский . Его надо поставить в центральный слот верстака, над ним и по бокам от него установить три красных факела, а в нижнем ряду – такое же количество каменных блоков.

Конденсаторы, встречающиеся в разных модах Minecraft

В большом количестве модов попадаются конденсаторы, имеющие самое разное предназначение. К примеру, в Galacticraft, где у геймеров есть возможность слетать на многие планеты для ознакомления с тамошними реалиями, появляется рецепт крафта кислородного конденсатора. Он служит для создания механизмов вроде коллектора и накопителя газа для , а также рамки воздушного шлюза. Для его изготовления четыре стальных пластины размещаются по углам верстака, в центре – оловянная канистра, а под нею – воздуховод. Остальные три ячейки занимают пластины из олова.

В JurassiCraft существует конденсатор потока – некий телепорт, позволяющий переместиться в удивительный игровой мир, кишащий динозаврами. Для создания такого прибора нужно поместить в два крайних вертикальных ряда шесть железных слитков, а в средний – два алмаза и между ними единицу пыли редстоуна. Дабы устройство заработало, надо поставить его на свинью либо вагонетку, а затем щелкнуть по нему правой клавишей мыши, быстро запрыгнув туда. При этом требуется поддержание высокой скорости устройства.

С модом Industrial Craft2 у игрока появляется возможность создавать как минимум два вида тепловых конденсаторов – красный и лазуритовый. Они служат исключительно для охлаждения ядерного реактора и для накопления его энергии и хороши для циклических сооружений такого типа. Остужаются они сами, соответственно, красной пылью или лазуритом.

Красный теплоконденсатор делается из семи единиц пыли редстоуна – их надо установить в виде буквы П и расставить под ними теплоотвод и теплообменник. Крафтинг же лазуритового устройства чуть посложнее. Для его создания четыре единицы пыли редстоуна расставляются по углам станка, в центр пойдет блок лазурита, по бокам от него – два красных тепловых конденсатора, сверху – теплоотвод реактора, а снизу – его же теплообменник.

В ThaumCraft, где сделан акцент на настоящем чародействе, конденсаторы тоже используются. Например, один из них – кристаллический – существует для аккумуляции и отдачи магии. Причем, что интересно, создавать его и многие другие вещи разрешено лишь после изучения особого элемента геймплея – исследования, проводимого за специальным столом и с определенными приборами.

Делается такой конденсатор из восьми тусклых осколков, в центр которых на верстаке помещается мистический деревянный блок. К сожалению, подобный прибор – равно как и его составляющие – просуществовал лишь до ThaumCraft 3, а в четвертой версии мода был упразднен.

Источники:

• О компараторе в Minecraft
• Кислородный конденсатор в Galacticraft
• Мод JurassiCraft
• Ядерный реактор в Industrial Craft2
• Кристаллический конденсатор в ThaumCraft

Урок Конденсаторы

Урок физики в 10 классе «Конденсаторы»

Понять – значит почувствовать.

Цель урока:Организовать деятельность учащихся по восприятию, осмыслению и первичному запоминанию понятий: конденсатор, зависимости электроемкости от геометрических размеров и среды; Создать знаково-графическую модель (формула плотности).

Дидактическая цель: Обеспечение осознания и усвоения понятий, законов,
Задачи

Образовательные – сформировать понятия «электроемкость» и «конденсатор», добиться понимания и воспроизведения зависимости электроемкости плоского конденсатора от свойств диэлектрической среды, площади пластин и расстояния между ними, сформировать умение решать задачи на расчет электроемкости.

Развивающие – развивать умение видеть и анализировать полученные результаты, формулировать выводы, развивать умение искать ответы на возникшие вопросы с помощью учебника и других источников информации, развитие культуры устной речи.

Воспитательные – раскрыть следующие вопросы и понятия мировоззренческого и методологического характера: роль эксперимента в научном познании, причинная обусловленность явлений (причинно-следственные связи), нацелить учеников на практическую значимость изучаемой темы.

Тип урока: проблемный комбинированный интегрированный (метапредметный) урок, в котором представлены физика, математика, информатика и исторические сведения.

Форма урока (жанр): комбинированная. Совместная деятельность

Место урока в системе уроков:Урок «Конденсаторы» – один из уроков цикла по электростатики.

Оборудование: конденсаторы постоянной и переменной емкости, компьютер, мультимедийный проектор.

Ход урока.

Целеполагание

Цель:развивать самостоятельность мышления, формировать гибкость и точность мысли, развивать внимание и память

Слово учителя (на фоне музыки) Добрый день. Вздохнули и выдохнули. Сегодня у нас с вами особенный урок физики, который, я надеюсь, принесет нам много счастливых переживаний, интересных открытий, потому что мы будем говорить о конденсаторах.

Я предлагаю начать наш урок словами«Смотреть и (или) видеть»

Перед вами два слова соединенные двумя союзами. Нет знака препинания в конце высказывания. Как можно произнести данное предложение? Что поставить в конце предложения?

Можно поставить знак как и в словах Архимеда «Эврика!», можно ? знак… К теме нашего занятия вернемся в конце урока.

Давайте посмотрим фрагмент фильма. Что Вы видите?

Посмотрим дальше. Что Вы видите сейчас?

Какой вывод можно сделать из нашего общения?

Вывод. Смотреть и видеть разное.

И так в тетради записываем тему нашего занятия.

Вы, наверное задались вопросом о чем мы сегодня будем говорить с чем познакомимся?

http://my.mail.ru/video/mail/rosinec23/11976/11817.html

Мотивация

Цель: активировать умственную деятельность учеников

(учитель показывает стеклянную банку и компьютерную клавиатуру)

Что общего между этими двумя предметами?(выслушиваем ответы учеников) Обратимся к интернету и найдем ответ на наш вопрос. Для выполнения задачи разделимся на две группы.

Исторические сведения.

Ребята их объединяет физический прибор конденсатор. Используя банку был изобретен первый конденсатор немецким физиком Э.Г. Клейстом, который налил в медицинскую склянку немного ртути, опустил в нее гвоздь и наэлектризовал его. Затем, взяв склянку в руки и прикоснувшись к гвоздю, получил сильный удар в руке, одновременно наблюдая появление искры. В 1746 году аналогичный опыт провел Питер Мушенброк, профессор-математик из г. Лейдена, который обнаружил, что «пойманное электричество» может сохраниться довольно долго. Заряжали лейденскую банку с помощью шара из серы, насаженную на железную ось. Король Франции дважды присутствовал на «электрическом представлении», когда цепь из 180 гвардейцев по команде «замыкалась» через лейденскую банку. Когда первый гвардеец дотрагивался рукой до металлической фольги, в которую была завернута банка, последний гвардеец цепи касался гвоздя, торчавшего из пробки, сильный электрический удар мгновенно чувствовали все гвардейцы.

2.Конденсаторы получили широчайшее применение в технике. Под каждой клавишей есть конденсатор. По какому принципу работает клавиатура? Но об этом поговорим чуть позже..

3.Изучение нового материала

Цель:учить исследовательской работе

Давайте вспомним, что вам известно о электроёмкости (План – на слайде)
1. Название физической величины. 
2. Что характеризует. 
3. Определительная формула. 
4. Определение. 
5. Основная или производная. 
6. Скалярная или векторная .
7. От чего зависит значение величины. 
8. Единица измерения в «СИ». 
9. Метод измерения.

Слово учителя.Оказывается, не на все вопросы мы можем дать ответ.

Систему проводников большой электроемкости вы можете обнаружить в любом радиоприемники или купить в магазине. Называется онаконденсатором.Записываем тему урока «Конденсатор». Цель нашего урока увидеть зависимость емкости конденсатора от

Постройте и вычислите ёмкость плоского конденсатора.

Оборудование: 2 жестяные и 1 стеклянная пластины; штангенциркуль; линейка; сборник задач Рымкевич таблицы 8 и 15.

1. Соберите плоский конденсатор из имеющихся материалов. 
2. Сделайте необходимые измерения и вычислите электроёмкость плоского конденсатора. 
3. Результаты измерений и вычислений запишите в тетрадь.

С = Е_о Е S/d 
Е_о = 8,85 ^. 10^-12ф/м (табл. 15 [3]) 
Е = 7 (табл. 8 [3]).

Пример расчета:

d = 2,8 ^. 10^-3м 
S = (0,08 ^. 0,03)м² = 2,4 ^. 10^-3м² 
С = 53,1 ^. 10^-12ф = 53пф

Вопросы после просмотра:

Какой буквой обозначается электроемкость.

Что характеризует емкость.

Что называют электроемкостью.

Чем определяется электроемкость.

В каких единицах измеряется электроемкость.

В ходе беседы сделать краткие записи в тетради.

4.Закрепление

Цель:закрепить полученные знания о зависимости емкости плоского конденсатора от расстояния между пластинами, от площади пластин и от диэлектрика между пластинами.

А теперь давайте выясним, от чего зависит емкость плоского конденсатора.

Опыт №1.Увеличим расстояние между пластинами конденсатора.

Что произошло с напряжением? (увеличилось).

Что показал электрометр? (уменьшение электроемкости).

Опыт №2. Уменьшим площадь пластин конденсатора.

Что показал электрометр? (уменьшение электроемкости)

Что произошло с напряжением? (увеличилось).

Опыт №3. Расположим между пластинами конденсатора слой диэлектрика.

Что произошло с напряжением? (уменьшилось).

Что показал электрометр? ( увеличение емкости).

Выводы:

Чем больше расстояние между пластинами, тем меньше емкость конденсатора.

Чем меньше площадь пластин, тем меньше площадь конденсатора.

При введении диэлектрика между пластинами, электроемкость конденсатора увеличивается.

обозначения на схеме:

	конденсатор постоянной емкости, общее обозначение
	постоянной емкости поляризованный
	переменной емкости
	подстроечный, общее обозначение

Поэтапное закрепление.

? Для определения влажности семян используют зависимость емкости конденсатора от влажности. С этой целью между двумя цилиндрическими поверхностями помещают зерно, влажность которого необходимо измерить. Как будет изменяться емкость конденсатора с увеличением влажности семян?

( с увеличением влажности емкость возрастает так как возрастает диэлектрическая проницаемость зерна ε).

? емкость электролитических конденсаторов, изолятором в которых является слой окиси алюминия, наносимый непосредственно на алюминий, может быть очень велика. За счет чего создается такая большая емкость?

( за счет резкого уменьшения расстояния – слой окиси алюминия очень тонок).

? Два слюдяных конденсатора одинаковой конструкции имеют разную толщину слюды. Какой из них обладает большей электроемкостью? Почему?

(с увеличением расстояния между обкладками емкость увеличивается, чем толще диэлектрик, тем емкость меньше)

5.Итог

Слово учителя. Физика изучает только то что можно увидеть измерить и подсчитать. Дружбу, любовь измерить нельзя.

Что значит увидеть? Что нового Вы увидели?

Наша задача с Вами научится объяснять увиденное.

Многие люди проходили мимо обычной яблони. Только Иссак Ньютон остановился, посмотрел на падающее яблоко и увидел….. Выдвинул гипотезу и доказал причину падения всех тел на землю.

Мы с Вами тоже увидели. Этого нет в природе, мы создали условия для наблюдения нового. Увидели, измерили и сделали вывод о увиденном.

Что же значит видеть?

Поставьте свой знак в теме нашего занятия.

6. Домашнее задание

Цель.закрепить знания, полученные на уроке

Предлагаю Вам домашнее задания на выбор.

Выучить параграфа 100

Создать интерактивную газету «WIKIWALL» (1 газета -2 ученика)

Сообщение по темам «Виды конденсаторов», «Применение конденсаторов»

Я б заменил конденсатор…

7.Рефлексия

Цель.выявить уровень осознания содержания пройденного. 

Ребята я тоже хочу увидеть. Хотя я смотрела все 30 минут на Вас и видела:

Какие Вы замечательные, умные. Кто понял тему урока, у кого-то остались сомнения. Хочется убедиться в увиденном. Вы мне должны помочь, составьте синквейн.

Как это делать?

1.Название

2.Описание

3.Действия

4.Чувства

5.Повторение сути

НапримерФизика.
Нужная, интересная.
Исследует, развивает, помогает думать.
Физика—наука о природе.
Законы.

Конденсатор

Плоский, бумажный…

Характеризирует, накапливает, применяют

Система проводников очень большой электроёмкостью

 Выскажите одним предложением, выбирая начало фразы из рефлексивного экрана на доске, при этом начало предложений не должно повторяться:

сегодня я узнал…

было интересно…

было трудно…

я выполнял задания…

я понял, что…

теперь я могу…

я почувствовал, что…

я приобрел…

я научился…

у меня получилось …

я смог…

я попробую…

меня удивило…

урок дал мне для жизни…

мне захотелось…

 Рассмотрите внешний вид

Это всё конденсаторы постоянной ёмкости – конструкция не предусматривает изменение ёмкости. На них указывается номинальное напряжение (в цепь с большим напряжением включать нельзя!!) В электрической цепи обозначаются: …Для подведения итогов урока можно воспользоваться упражнением «Плюс-минус-интересно». Это упражнение можно выполнять как устно, так и письменно, в зависимости от наличия времени. Для письменного выполнения предлагается заполнить таблицу из трех граф. В графу «П» – «плюс» записывается все, что понравилось на уроке, информация и формы работы,  которые вызвали положительные эмоции, либо по мнению ученика могут быть ему полезны для достижения каких-то целей. В графу «М» – «минус» записывается все, что не понравилось на уроке, показалось скучным, вызвало неприязнь, осталось непонятным, или информация, которая, по мнению ученика, оказалась для него не нужной, бесполезной с точки зрения решения жизненных ситуаций. В графу «И» – «интересно» учащиеся вписывают все любопытные факты, о которых узнали на уроке и что бы еще хотелось узнать по данной проблеме, вопросы к учителю. Эту таблицу придумал Эдвард де Боно, доктор медицинских наук, доктор философии Кембриджского университета, специалист в области развития практических навыков в области мышления. Это упражнение позволяет учителю взглянуть на урок глазами учеников, проанализировать его с точки зрения ценности для каждого ученика. Для учащихся наиболее важными будут графы «П» и «И», так как в них будут содержаться памятки о той информации, которая может им когда-нибудь пригодиться.

Стихотворение

Конденсатор

Принёс я конденсатор,

Который разрядил,

И искра проскочила,

И треск как выстрел был!

Всего лишь две пластины,

Меж ними есть слюда,

И ёмкость увеличить,

Вы сможете всегда!

Возьмите фотовспышку,

Там ёмкость и заряд,

И сделать фотоснимки,

Вы сможете подряд!

© Львовский М.Б.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/441479-urok-kondensatory

2. Электрическая ёмкость. Конденсаторы. Энергия конденсатора. Применение конденсаторов.

Электрическая емкость проводника или устройства, состоящего из двух проводников, разделенных диэлектриком, характеризует их способность накапливать электрические заряды.

Электрическая емкость измеряется в фарадах. Емкость конден¬сатора равна одной фараде, если увеличение его заряда на один кулон электричества вызывает повышение напряжения между его об¬кладками на один вольт.

Фарада — очень крупная единица емкости, которая практиче¬ски не применяется. Обычно пользуются более мелкими единица¬ми емкости: микрофарадой (мкф) и пикофарадой (пф).

Конденса́тор (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать») — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

ЭНЕРГИЯ ЗАРЯЖЕННОГО КОНДЕНСАТОРА

Конденсатор – это система заряженных тел и обладает энергией.

Энергия любого конденсатора:

где С – емкость конденсатора

q – заряд конденсатора

U – напряжение на обкладках конденсатора

Энергия конденсатора равна работе, которую совершит электрическое поле при сближении пластин конденсатора вплотную,

или равна работе по разделению положительных и отрицательных зарядов , необходимой при зарядке конденсатора.

ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ КОНДЕНСАТОРА

Энергия конденсатора приблизительно равна квадрату напряженности эл. поля внутри конденсатора.

Плотность энергии эл. поля конденсатора:

Применение конденсаторов

Конденсаторы находят применение практически во всех областях электротехники.

• Конденсаторы (совместно с катушками индуктивности и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п.

• При быстром разряде конденсатора можно получить импульс большой мощности, например, в фотовспышках, электромагнитных ускорителях, импульсных лазерах с оптической накачкой, генераторах Маркса, (ГИН; ГИТ), генераторах Кокрофта-Уолтона и т. п.

• Так как конденсатор способен длительное время сохранять заряд, то его можно использовать в качестве элемента памяти или устройства хранения электрической энергии.

• В промышленной электротехнике конденсаторы используются для компенсации реактивной мощности и в фильтрах высших гармоник.

• Конденсаторы способны накапливать большой заряд и создавать большую напряжённость на обкладках, которая используется для различных целей, например, для ускорения заряженных частиц или для создания кратковременных мощных электрических разрядов (см. генератор Ван де Граафа).

• Измерительный преобразователь (ИП) малых перемещений: малое изменение расстояния между обкладками очень заметно сказывается на ёмкости конденсатора.

• ИП влажности воздуха, древесины (изменение состава диэлектрика приводит к изменению ёмкости).

• В схемах РЗиА конденсаторы используются для реализации логики работы некоторых защит. В частности, в схеме работы АПВ использование конденсатора позволяет обеспечить требуемую кратность срабатывания защиты.

• Измерителя уровня жидкости. Непроводящая жидкость, заполняет пространство между обкладками конденсатора, и ёмкость конденсатора меняется в зависимости от уровня

• Фазосдвигающего конденсатора. Такой конденсатор необходим для пуска, а в некоторых случаях и работы однофазных асинхронных двигателей. Так же он может применяться для пуска и работы трехфазных асинхронных двигателей при питании от однофазного напряжения.

• Аккумуляторов электрической энергии. В этом случае на обкладках конденсатора должно быть достаточно постоянное значения напряжения и тока разряда. При этом сам разряд должен быть значительным по времени. В настоящее время идут опытные разработки электромобилей и гибридов с применением конденсаторов. Так же существуют некоторые модели трамваев в которых конденсаторы применяются для питания тяговых электродвигателей при движении по обесточенным участкам.

Билет 2.

1. Равноускоренное движение. Ускорение. Скорость и перемещение при равноускоренном движении.

Равноускоренное движение — движение, при котором вектор ускорения остаётся неизменным по модулю и направлению.

Примером такого движения является движение тела, брошенного под углом α к горизонту в однородном поле силы тяжести — тело движется с постоянным ускорением , направленным вертикально вниз.

При равноускоренном движении по прямой скорость тела определяется формулой:

v(t) = v0 + at

Ускоре́ние (обычно обозначается , в теоретической механике ), производная скорости по времени — векторная величина, показывающая, насколько изменяется вектор скорости точки (тела) при её движении за единицу времени (т.е. ускорение учитывает не только изменение величины скорости, но и её направления).

Например, вблизи Земли падающее на Землю тело, в случае, когда можно пренебречь сопротивлением воздуха, увеличивает свою скорость примерно на 9,8 м/с каждую секунду, то есть, его ускорение равно 9,8 м/с².

Раздел механики, изучающий движение в трёхмерном евклидовом пространстве, его запись, а также запись скоростей и ускорений в различных системах отсчёта, называется кинематикой.

Единицей ускорения служит метр в секунду за секунду (m/s2, м/с2), существует также внесистемная единица Гал (Gal), применяемая в гравиметрии и равная 1 см/с2.

Производная ускорения по времени т.е. величина, характеризующая быстроту изменения ускорения по времени называется рывок.

Формулы расчета скорости и перемещения при равно Ускоренном движении: скорость при равно Ускоренном движении.

Перемещение при равноУскоренном движении.

применений конденсаторов в повседневной жизни

Конденсатор – это уникальное устройство, способное накапливать электрическую энергию в электрическом поле. Он также может быть или быть компонентом, который обладает способностью или «способностью» экономить энергию в виде электрического заряда. Он создает разность потенциалов (статическое напряжение) на своих пластинах, как небольшая перезаряжаемая батарея. Повседневное использование конденсаторов в повседневной жизни продолжает добавлять в список.

Он имеет два вывода или два закрытых проводника (обычно пластины), разделенных диэлектрическим материалом.При подключении к источнику питания посуда накапливает электрические заряды. Одна пластина накапливает положительный заряд, а другая пластина – отрицательный. Эффект конденсатора – это емкость, количество электрического заряда, которое находится в конденсаторе. Конденсатор отключает ток в цепях постоянного тока (DC) и короткие замыкания в цепях переменного тока (AC).

В последнее время мы наблюдаем появление множества различных типов конденсаторов, от крошечных конденсаторных бусинок до конденсаторов с большой мощностью коррекции коэффициента мощности.Однако все они делают то же самое, что и накапливают заряд. Несмотря на то, что конденсаторы работают одинаково независимо от их применения или использования, конденсаторы могут использоваться в схемах по-разному. При выборе правильного типа конденсатора необходимо иметь представление о конкретном применении конденсатора. Так что его свойства могут совпадать с данным пользователем, которому он будет назначен. У каждой формы конденсатора есть свои атрибуты, и это означает, что он будет хорошо работать при использовании конденсатора с твердыми частицами.Выбор подходящего конденсатора для конкретной цели – это часть процесса проектирования схемы. Использование неправильного конденсатора может легко означать, что петля не будет работать.

Конденсаторы являются необходимыми компонентами в электронных продуктах и ​​имеют другое основное приложение. Они заряжаются током на простейшем уровне, а затем сразу же выпускают этот ток. Возможно, это звучит не особо впечатляюще, но именно эта зарядка и разрядка приводит в действие вспышку вашей камеры.Кроме того, шкала настройки вашего радио предотвращает взрыв громкоговорителей.

Из-за различного использования конденсаторы подходят для самых разных отраслей промышленности и стали жизненно важной частью повседневной жизни. Некоторые из применений включают;

Лучшее применение конденсаторов в повседневной жизни

1. Накопитель энергии

С 18 века конденсаторы накапливают электрическую энергию. Как правило, они не содержат большого количества энергии.Однако они обеспечивают достаточную мощность для электронных устройств, когда им требуется дополнительная мощность или во время временных отключений электроэнергии. Например, в автомобильные аудиосистемы включены конденсаторы большой емкости, чтобы при необходимости усилить усилитель.

2. Коррекция коэффициента мощности

Используется в распределении электроэнергии. Такие конденсаторы бывают трехфазными, подключенными к трехфазной электрической нагрузке. Его цель – противодействовать индукционной нагрузке от таких устройств, как асинхронный двигатель, электродвигатели и линии передачи, чтобы давление было в основном резистивным.

3. Используется в датчиках

Конденсаторы

в качестве датчиков измеряют различные параметры, включая уровень топлива, механическое напряжение и влажность воздуха. Его структура определяет емкость устройства. Изменения в ткани измеряются как увеличение или уменьшение емкости. Аспекты конденсатора, которые используются в измерительных приложениях, – это материал между ними и расстояние между параллельными пластинами. Первый используется для выявления механических изменений, таких как давление и ускорение.Каждой минуты смены материала между пластинами хватает на емкость устройства.

4. Регулировка мощности

Важнейшим применением конденсаторов является кондиционирование источников питания. Кроме того, конденсаторы пропускают сигналы переменного тока, но блокируют сигналы постоянного тока, когда они заряжены. Они могут эффективно разделить эти два типа сигналов, уменьшая количество энергии.

5. Муфта

Конденсаторы

могут пропускать переменный ток, но блокировать постоянный ток в процессе, называемом соединением конденсаторов . Используется в случае громкоговорителя. Громкоговорители преобразуют переменный ток в звук, но они могут быть повреждены любым протекающим до них постоянным током. Конденсатор предотвращает повреждение динамиков постоянным током.

6. Тюнинг

Переменные конденсаторы используются при настройке схем в радиосистемах путем подключения их к генератору LC. Конденсатор заряжается и разряжается в проволочную катушку, в результате чего создается магнитное поле.Как только конденсатор полностью разряжен, магнитное поле падает, заряжая конденсатор. Зарядка и сброс тока происходят через равные промежутки времени, но его можно изменить, заменив конденсатор. Если частота этих интервалов равна частоте ближайшей радиостанции, усилитель в магнитоле усиливает этот сигнал, и вы будете слышать трансляцию.

7. Используется в импульсном силовом и оружии

Конденсаторы

используются для подачи мощных импульсов тока во многих импульсных источниках питания.К ним относятся электромагнитное формирование, импульсные лазеры, генераторы Маркса, сети формирования импульсов, ускорители частиц и исследования термоядерного синтеза. Большие конденсаторные батареи являются источниками энергии для детонаторов с разрывным мостом или ударных детонаторов в специальном оружии. Экспериментальные работы ведутся с использованием батарей конденсаторов в качестве источников питания для электромагнитных амортизаторов и электромагнитных рельсовых пушек или катушечных пушек.

8. Развязка

Разделительный конденсатор отделяет одну часть цепи от другой.Шум, вызываемый другими элементами схемы, устраняется через конденсатор, уменьшая их влияние на остальную часть трассы. Он применяется между землей и источником питания. Альтернативное название – шунтирующий конденсатор, поскольку он шунтирует источник питания или другие высокоомные компоненты схемы

.

9. Используется как элемент синхронизации

Конденсаторы

можно использовать в зависимости от времени, потому что их зарядка и разрядка происходят через регулярные промежутки времени.Его можно подключить к любому светодиоду или акустической системе. Кроме того, любой мигающий свет или непрерывный звуковой сигнал, вероятно, использует временный конденсатор.

10. Обработка сигналов

Конденсаторы

нашли широкое применение в ИТ. В устройствах динамической памяти с произвольным доступом используются конденсаторы для отображения двоичной информации в виде единиц и нулей. Устройство может считывать одно значение, когда конденсатор заряжен, а другое – при разрядке. В устройствах с зарядовой связью (ПЗС) используются конденсаторы в аналоговой форме.Конденсаторы также используются вместе с индукторами для настройки цепей на определенные частоты – эффект, используемый радиоприемниками, динамиками и аналоговыми эквалайзерами.

11. Сглаживание

Многие бытовые приборы используют электричество постоянного тока за счет использования конденсатора. Конденсатор может преобразовывать переменный ток в постоянный, «сглаживая» ток. Рассмотрим AC как единую линию, постоянно движущуюся в крутящемся движении. Конденсатор будет заряжаться, когда эта линия приблизится к пику. После полной разрядки он снова начнет заряжаться, так что выходной ток никогда не успеет полностью упасть и будет работать так, как если бы он был постоянным током.

Конденсаторы

используются практически во всех электронных схемах, которые строятся сегодня. Это объясняет, почему сегодня конденсаторы широко используются в повседневной жизни. Скорее всего, если вы используете смартфон, сенсорный экран будет емкостным, что означает, что он использует несколько конденсаторов, которые вы активируете пальцами. Все системы памяти, включая эти телефоны и все компьютеры, используют конденсаторы для систем двоичной памяти. Сегодня вы делаете их фундаментальными для людей, потому что они во многом зависят от электроприборов и оборудования в своей повседневной деятельности.

Емкость

и использование конденсаторов

Емкость и использование конденсаторов Главная | Карта | Проекты | Строительство | Пайка | Исследование | Компоненты | 555 | Символы | FAQ | Ссылки

---

Емкость | Зарядка и энергия | Реактивное сопротивление | Последовательный и параллельный | Зарядка | Постоянная времени | Разрядка | Использует | Конденсаторная муфта

Следующая страница: Импеданс и реактивное сопротивление
См. Также: Конденсаторы | Источники питания

символ неполяризованного конденсатора

символ поляризованного конденсатора

Емкость

Емкость (символ C) – это мера способности конденсатора накапливать заряд .Большая емкость означает, что можно сохранить больше заряда. Емкость измеряется в фарадах, символ F. Однако 1F очень большой, поэтому для отображения меньших значений используются префиксы (множители):

• мкФ (микро) означает 10 ^-6 (миллионная), поэтому 1000000 мкФ = 1Ф
• n (нано) означает 10 ^-9 (миллиардная), поэтому 1000 нФ = 1 мкФ
• p (пико) означает 10 ^-12 (миллионно-миллионная), поэтому 1000 пФ = 1 нФ

---

Заряд и накопленная энергия

Количество заряда (символ Q), сохраняемого конденсатором, определяется по формуле:

Заряд, Q = C × V

где:

Q = заряд в кулонах (Кл) C = емкость в фарадах (Ф) В = напряжение в вольтах (В)

Когда они накапливают заряд, конденсаторы также накапливают энергию:

Энергия, E = ½QV = ½CV² где E = энергия в джоулях (Дж).

Обратите внимание, что конденсаторы возвращают накопленную энергию в схему. Они не “расходуют” электрическую энергию преобразовывая его в тепло, как это делает резистор. Энергия, запасаемая конденсатором, намного меньше, чем энергия, хранящаяся в батарее, поэтому их нельзя использовать в качестве практического источника энергии для большинства целей.

---

Емкостное реактивное сопротивление Xc

Емкостное реактивное сопротивление (символ Xc) – это мера сопротивления конденсатора переменному току (переменному току).Как и сопротивление, он измеряется в Ом, но реактивное сопротивление сложнее, чем сопротивление, потому что его значение зависит от частоты (f) электрического сигнала, проходящего через конденсатор, а также емкости C.

Емкостное реактивное сопротивление, Xc =	1	где:	Xc = реактивное сопротивление в омах () f = частота в герцах (Гц) C = емкость в фарадах (F)
	2fC

Реактивное сопротивление Xc велико на низких частотах и ​​мало на высоких частотах.Для постоянного постоянного тока, который является нулевой частотой, Xc бесконечно (полное противодействие), отсюда правило, что Конденсаторы пропускают переменный ток, но блокируют постоянный ток .

Например, конденсатор емкостью 1 мкФ имеет реактивное сопротивление 3,2k для сигнала 50 Гц, но когда частота выше 10 кГц, его реактивное сопротивление составляет только 16.

Примечание: символ Xc используется для отличия емкостного реактивного сопротивления от индуктивного X _L что является свойством индукторов.Это различие важно, потому что X _L увеличивается с увеличением частота (противоположность Xc), и если оба X _L и Xc присутствуют в цепи, объединенный реактивное сопротивление (X) – это разность между ними . Для получения дополнительной информации см. Страницу Импеданс.

---

Последовательные и параллельные конденсаторы

Суммарная емкость (C) конденсаторов , соединенных серией :	1	=	1	+	1	+	1	+…
	C		C1		C2		C3

Суммарная емкость (C) конденсаторов , подключенных параллельно :

C = C1 + C2 + C3 + …

Два или более конденсатора редко сознательно включаются последовательно в реальных цепях, но может быть полезно подключить конденсаторы параллельно, чтобы получить очень большую емкость, например, чтобы сгладить питание.

Обратите внимание, что эти уравнения обратны для резисторы последовательно и параллельно.

---

Зарядка конденсатора

Конденсатор (C) на принципиальной схеме заряжается от напряжения питания (Vs) с током проходящий через резистор (R). Напряжение на конденсаторе (Vc) изначально равно нулю, но увеличивается. по мере заряда конденсатора. Конденсатор полностью заряжен, когда Vc = Vs.Зарядный ток (I) определяется напряжением на резисторе (Vs – Vc):

Зарядный ток, I = (Vs – Vc) / R (обратите внимание, что Vc увеличивается)

Сначала Vc = 0V, поэтому начальный ток , Io = Vs / R

Vc увеличивается, как только заряд (Q) начинает накапливаться (Vc = Q / C), это снижает напряжение через резистор и, следовательно, снижает ток зарядки. Это означает, что скорость зарядки становится все медленнее.

постоянная времени = R × C

где:

постоянная времени в секундах (с) R = сопротивление в Ом () C = емкость в фарадах (Ф)

Например:
Если R = 47k и C = 22 мкФ, тогда постоянная времени RC = 47k × 22 мкФ = 1,0 с.
Если R = 33k и C = 1 мкФ, тогда постоянная времени RC = 33k × 1 мкФ = 33 мс.

Большая постоянная времени означает, что конденсатор заряжается медленно. Обратите внимание, что постоянная времени является свойством цепи , содержащей емкость и сопротивление, это свойство не только конденсатора.

Графики, показывающие ток и напряжение для зарядки конденсатора постоянная времени = RC

Постоянная времени – это время, необходимое для того, чтобы зарядный (или разрядный) ток (I) упал до ¹ / е от исходного значения (Io).’e’ – основание натурального логарифма, важное число в математике (вроде). e = 2,71828 (до 6 значащих цифр), поэтому мы можем грубо сказать, что постоянная времени – это время, необходимое для того, чтобы ток упал до ¹ / ₃ от его начального значения.

После каждой постоянной времени ток падает на ¹ / e (примерно ¹ / ₃ ). После 5 постоянных времени (5RC) ток упал до менее 1% от своего начального значения, и мы можем разумно говорят, что конденсатор полностью заряжен, а на самом деле конденсатор требует вечной зарядки полностью!

Время Напряжение Заряд 0RC 0.0V 0% 1RC 5,7 В 63% 2RC 7,8 В 86% 86% 3RC 4RC 8,8 В 98% 5RC 8,9 В 99%

Нижний график показывает, как напряжение (В) увеличивается по мере заряда конденсатора.Сначала напряжение быстро меняется из-за большого тока; но по мере уменьшения тока заряд нарастает медленнее, а напряжение увеличивается медленнее.

После 5 постоянных времени (5RC) конденсатор почти полностью заряжен, а его напряжение почти равно напряжение питания. Можно с полным основанием сказать, что конденсатор полностью заряжен после 5RC, хотя реально заряжается продолжается вечно (или пока схема не будет изменена).

---

Разряд конденсатора

Графики, показывающие ток и напряжение для разряда конденсатора постоянная времени = RC

Верхний график показывает, как уменьшается ток (I). по мере разряда конденсатора.Начальный ток (Io) определяется начальным напряжением на конденсаторе (Vo) и сопротивлением (R):

Начальный ток, Io = Vo / R .

Обратите внимание, что графики тока имеют одинаковую форму как для зарядки, так и для разрядки конденсатора. Этот тип графика является примером экспоненциального затухания.

901 901 Время Напряжение Заряд 0RC 9.0V 100% 1RC 3,3 В 37% 2RC 1,2 В 14% 14% 901 901 901 901 4RC 0,2 В 2% 5RC 0,1 В 1%

Нижний график показывает, как напряжение (В) уменьшается по мере разряда конденсатора.

Сначала ток большой из-за большого напряжения, поэтому заряд быстро теряется и напряжение быстро уменьшается. По мере того, как заряд теряется, напряжение уменьшается, уменьшая ток, поэтому скорость разрядки становится все медленнее.

После 5 постоянных времени (5RC) напряжение на конденсаторе почти равно нулю, и мы можем с полным основанием сказать, что конденсатор полностью разряжен, хотя реально разряд продолжается вечно (или пока не поменяют схему).

---

Применение конденсаторов

Конденсаторы используются в нескольких целях:

---

Конденсаторная муфта (CR-муфта)

Секции электронных схем могут быть связаны с конденсатором, потому что конденсаторы проходят переменный ток (изменяющиеся) сигналы, но блокируют DC (постоянные) сигналы. Это называется конденсаторной связью или CR-связью . Он используется между ступенями аудиосистемы для передачи аудиосигнала (переменного тока) без постоянного напряжения (постоянного тока). которые могут присутствовать, например, для подключения громкоговорителя.Он также используется для установки переключателя «AC» на осциллографе.

Точное поведение конденсаторной связи определяется ее постоянной времени (RC). Обратите внимание, что сопротивление (R) может быть внутри следующего участка цепи, а не отдельного резистора.

Для успешной связи конденсаторов в аудиосистеме сигналы должны проходить через с небольшим искажением или без него. Это достигается, если постоянная времени (RC) больше, чем период времени (T) аудиосигналов самой низкой частоты требуется (обычно 20 Гц, T = 50 мс).

Выход, когда RC >> T
Когда постоянная времени намного больше, чем период входного сигнала конденсатор не успевает существенно зарядиться или разрядиться, поэтому сигнал проходит с незначительными искажениями.

Выход при RC = T
Когда постоянная времени равна периоду времени, вы можете видеть, что конденсатор успевает частично зарядиться и разрядиться до изменения сигнала.В результате есть значительное искажение сигнала при прохождении через CR-муфту. Обратите внимание, как внезапные изменения входного сигнала проходят прямо через конденсатор на выход.

Выход при RC << T
Когда постоянная времени намного меньше периода времени, конденсатор успевает для полной зарядки или разрядки после каждого резкого изменения входного сигнала. Фактически только внезапные изменения передаются на выходе, и они выглядят как «всплески», попеременно положительный и отрицательный.Это может быть полезно в системе, которая должна определять, когда сигнал меняется внезапно, но медленные изменения следует игнорировать.

---

Следующая страница: Импеданс и реактивное сопротивление | Изучение электроники

---

---

© Джон Хьюс 2007, Клуб электроники, www.kpsec.freeuk.com
Этот сайт был взломан с использованием ПРОБНОЙ версии WebWhacker. Это сообщение не появляется на лицензированной копии WebWhacker.

Что такое конденсатор и как он работает?

В этом руководстве мы узнаем, что такое конденсатор, как он работает, и рассмотрим некоторые основные примеры применения.Вы можете посмотреть следующее видео или прочитать письменное руководство ниже.

РЕКОМЕНДУЕТСЯ Обзор

---

Практически нет схемы без конденсатора, и вместе с резисторами и индукторами они являются основными пассивными компонентами, которые мы используем в электронике.

Что такое конденсатор?

Конденсатор – это устройство, способное накапливать энергию в виде электрического заряда. По сравнению с батареей того же размера, конденсатор может хранить гораздо меньшее количество энергии, примерно в 10 000 раз меньше, но достаточно полезен для многих схем.

Конструкция конденсатора

Конденсатор состоит из двух металлических пластин, разделенных изоляционным материалом, называемым диэлектриком. Пластины являются проводящими, и они обычно сделаны из алюминия, тантала или других металлов, в то время как диэлектрик может быть сделан из любого изоляционного материала, такого как бумага, стекло, керамика или что-нибудь, что препятствует прохождению тока.

Емкость конденсатора, измеряемая в фарадах, прямо пропорциональна площади поверхности двух пластин, а также диэлектрической проницаемости ε диэлектрика, в то время как чем меньше расстояние между пластинами, тем больше емкость.При этом давайте посмотрим, как работает конденсатор.

Как работает конденсатор

Во-первых, мы можем отметить, что металл обычно имеет равное количество положительно и отрицательно заряженных частиц, что означает, что он электрически нейтрален.

Если мы подключим источник питания или батарею к металлическим пластинам конденсатора, ток будет пытаться течь, или электроны от пластины, подключенной к положительному выводу батареи, начнут двигаться к пластине, подключенной к отрицательному выводу. батареи.Однако из-за наличия диэлектрика между пластинами электроны не могут проходить через конденсатор, поэтому они начнут накапливаться на пластине.

После того, как определенное количество электронных компонентов накопится на пластине, у батареи будет недостаточно энергии, чтобы подтолкнуть любую новую электронику к пластине из-за отталкивания той электроники, которая уже там.

На этом этапе конденсатор фактически полностью заряжен. Первая пластина выработала чистый отрицательный заряд, а вторая пластина выработала равный результирующий положительный заряд, создавая электрическое поле с силой притяжения между ними, которая удерживает заряд конденсатора.

Принцип работы диэлектрика конденсатора

Давайте посмотрим, как диэлектрик может увеличить емкость конденсатора. Диэлектрик содержит полярные молекулы, что означает, что они могут менять свою ориентацию в зависимости от зарядов на двух пластинах. Таким образом, молекулы выравниваются с электрическим полем таким образом, что позволяет большему количеству электронов притягиваться к отрицательной пластине, отталкивая больше электронов из положительной пластины.

Итак, после полной зарядки, если мы удалим аккумулятор, он будет удерживать электрический заряд в течение длительного времени, действуя как накопитель энергии.

Теперь, если мы укоротим два конца конденсатора через нагрузку, ток начнет течь через нагрузку. Накопленные электроны с первой пластины начнут двигаться ко второй пластине, пока обе пластины снова не станут электрически нейтральными.

Итак, это основной принцип работы конденсатора, а теперь давайте рассмотрим несколько примеров его применения.

Приложения

Конденсаторы развязки (байпаса)

Конденсаторы развязки или конденсаторы байпаса являются типичным примером.Они часто используются вместе с интегральными схемами и размещаются между источником питания и землей ИС.

Их задача – фильтровать любой шум в источнике питания, например, пульсации напряжения, которые возникают, когда в источнике питания на очень короткий период времени падает напряжение или когда часть цепи переключается, вызывая колебания в источнике питания. В момент падения напряжения конденсатор временно действует как источник питания, минуя основной источник питания.

Преобразователь переменного тока в постоянный

Другой типичный пример применения – конденсаторы, используемые в адаптерах постоянного тока. Для преобразования переменного напряжения в постоянное обычно используется диодный выпрямитель, но без конденсаторов он не сможет справиться с этой задачей.

Выходной сигнал выпрямителя представляет собой форму волны. Таким образом, в то время как на выходе выпрямителя увеличивается заряд конденсатора, а на выходе выпрямителя уменьшается, конденсатор разряжается и, таким образом, сглаживает выход постоянного тока.

Связано: что такое триггер Шмитта и как он работает

Фильтрация сигналов

Фильтрация сигналов – еще один пример применения конденсаторов. Благодаря своему особому времени отклика они могут блокировать низкочастотные сигналы, позволяя проходить более высоким частотам.

Используется в радиоприемниках для настройки нежелательных частот и в схемах кроссовера внутри громкоговорителей для разделения низких частот для вуфера и высоких частот для твитера.

Конденсаторы как накопители энергии

Еще одно довольно очевидное применение конденсаторов – для хранения и подачи энергии. Хотя они могут накапливать значительно меньше энергии по сравнению с батареями того же размера, их срок службы намного выше, и они способны передавать энергию намного быстрее, что делает их более подходящими для приложений, где требуется большой всплеск мощности.

Вот и все для этого урока, не стесняйтесь задавать любой вопрос в разделе комментариев ниже.

Учебное пособие по конденсатору

: работа и использование в схемах

Конденсаторы

– один из наиболее часто используемых компонентов в электронных схемах. Будет справедливо сказать, что найти работающую схему без использования конденсатора практически невозможно. Это руководство написано, чтобы дать хорошее представление о работе конденсаторов и их использовании в практических схемах. В этом руководстве рассматриваются три важных вопроса о конденсаторах, которые могут возникнуть у новичка.

1. Что такое конденсатор?
2. Работа конденсатора?
3. Как использовать конденсаторы в схемах?

К концу этого руководства вы лучше поймете принцип работы конденсаторов.Также из этого туториала Вы узнаете, как использовать конденсатор в практических схемах. Вы можете ознакомиться с предыдущим учебным пособием «Резисторы: работа и использование в схемах»

.

ЧТО ТАКОЕ КОНДЕНСАТОР:

Конденсатор – один из пассивных компонентов (не может генерировать энергию самостоятельно) в электронике. Этот конденсатор способен накапливать в нем электрический заряд, что приводит к развитию напряжения или, другими словами, потенциальной энергии на его выводах. Проще говоря, это похоже на аккумулятор, но он может хранить заряд только временно.Чтобы сделать вещи интересными, он по-разному реагирует на постоянный ток (постоянный ток) по сравнению с переменным током (переменный ток). Мы объясним это далее в разделе «Работа с конденсатором», а теперь давайте посмотрим, как устроен конденсатор.

ВНУТРИ КОНДЕНСАТОРА:

Конструкция конденсатора довольно проста. Он состоит из двух проводящих пластин, подобных тем, что показаны на диаграмме выше (пластина 1 и пластина 2), где эти две пластины разделены небольшим расстоянием и с изоляторами между ними, также известными как диэлектрики.Это очень похоже на сэндвич, где у нас есть две проводящие пластины и изолирующий материал или диэлектрик, зажатый между ними.

Каждая крышка имеет определенную емкость. Мы уже знаем, что конденсатор способен накапливать электрический заряд на своих пластинах. Эта емкость определяет максимальное количество заряда, которое он может хранить. Чем больше пластины и меньше расстояние между ними, тем выше будет значение емкости. Эта емкость определяется формулой

.

C = Q / V

, где Q – количество заряда, а V – напряжение, приложенное к нему.

ФАРАДОВ:

Таким образом, каждый конденсатор имеет определенное значение емкости. Единица измерения емкости измеряется в фарадах. Когда мы указываем значение емкости как 1 фарад, это означает, что конденсатор удерживает заряд в 1 кулон на своих проводящих пластинах, когда на его выводы подается одно напряжение.

РАБОТА КОНДЕНСАТОРА:

А теперь пора глубже погрузиться в работу конденсатора. Как указано выше, конденсатор действует иначе, чем переменный и постоянный ток.

КОНДЕНСАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА:

Давайте сначала рассмотрим DC и посмотрим, как он реагирует на DC.Первоначально конденсатор будет в разряженном состоянии, что означает, что на его пластинах будет нулевой заряд. Когда на его клеммы подается постоянное напряжение, ток течет и заряжает его. Первоначальный поток этого зарядного тока через конденсатор будет очень высоким. Это приводит к накоплению положительного заряда на одной пластине и отрицательного заряда на другой пластине. По мере увеличения заряда на пластинах конденсатора зарядный ток постепенно уменьшается из-за накопления заряда на пластинах конденсатора, и он сопротивляется протеканию тока.Также заряд, накопленный на пластинах, создает разность потенциалов на пластинах.

Поток зарядного тока продолжает заряжать конденсатор до тех пор, пока развиваемое напряжение не сравняется с приложенным к нему напряжением. В этот момент зарядный ток перестает течь из-за развиваемого напряжения на конденсаторе. В этом случае конденсатор полностью заряжен положительным зарядом на одной пластине, а эквивалентный отрицательный заряд существует на другой. Напряжение, развиваемое на конденсаторе, обычно обозначается как Vc.Конденсатор будет удерживать это напряжение Vc до тех пор, пока на нем не появится напряжение. Как только поданное напряжение прекращается, через конденсатор начинает течь разрядный ток. В этот момент напряжение Vc начинает падать, и заряд, накопленный на его пластинах, уменьшается.

Через некоторое время ток разряда замедляется, в этот момент скорость, с которой также замедляется падение напряжения. Через некоторое время напряжение конденсатора Vc достигнет нуля, и заряд, накопленный на его пластинах, станет нулевым.Это состояние называется состоянием разряда конденсатора. Теперь вы можете понять причину, по которой мы сравнили конденсатор с батареей.

КОНДЕНСАТОР С AC:

Как указывалось ранее, конденсатор по-разному реагирует при подаче переменного напряжения. При подаче постоянного напряжения конденсатор заряжается только в одном направлении. Однако, когда применяется переменный ток, конденсатор заряжается и разряжается поочередно в зависимости от его частоты. И поэтому с переменным напряжением конденсатор будет продолжать пропускать ток через него бесконечно, в отличие от постоянного тока, где конденсатор блокирует ток по прошествии определенного периода времени.

Здесь интересно то, что зарядный ток и ток разряда через конденсатор при воздействии переменного напряжения зависят от изменения напряжения, приложенного к его пластинам. Ток, протекающий в конденсаторе при подаче переменного тока, имеет тенденцию опережать напряжение на 90 °. Взгляните на график ниже.

Считайте, что переменное напряжение подается на конденсатор, начальное напряжение будет минимальным, а в этот момент зарядный ток будет максимальным, как вы можете видеть на приведенном выше графике.Когда напряжение достигнет своего пикового значения, зарядный ток будет равен нулю. После достижения пикового значения напряжение начнет уменьшаться, и ток разряда также начнет течь от конденсатора. Когда напряжение переменного тока достигает нулевого значения, завершая положительный полупериод сигнала, ток разряда будет максимальным. Как только сигнал начинается с отрицательного цикла, ток разряда постепенно начинает уменьшаться и достигает нуля, когда напряжение достигает максимума в отрицательном полупериоде. Таким образом, мы можем сделать вывод, что ток опережает напряжение на 90 ‘или напряжение отстает от тока на 90 ° в цепях переменного тока.Обычно это описывается как не совпадающие по фазе напряжение и ток.

РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ:

Еще одна важная вещь, которую нужно знать о конденсаторах в цепях переменного тока, заключается в том, что они обеспечивают сопротивление току, протекающему в цепях переменного тока. Это относится к реактивному сопротивлению, а точнее к емкостному сопротивлению. Это реактивное сопротивление определяется формулой

.

Xc = 1 / 2πFC или 1 / ωC (ω = 2πF)

Из приведенной выше формулы мы можем вывести, что емкостное реактивное сопротивление уменьшается с увеличением частоты сигнала переменного тока и емкости конденсатора.Когда частота сигнала высока или близка к Inifinity, реактивность будет близка к нулю. Здесь конденсатор действует как идеальный проводник. Кроме того, когда частота сигнала переменного тока становится меньше или близка к нулю, реактивное сопротивление будет очень высоким, и оно будет действовать как очень большое сопротивление или разрыв цепи для входящего сигнала.

ПРИМЕНЕНИЕ КОНДЕНСАТОРА:

Теперь, когда мы поняли, что такое конденсатор и как он работает. Давайте перейдем к самому важному разделу этой статьи «Применение конденсатора».

РАЗЪЕМНЫЙ КОНДЕНСАТОР:

Это конденсаторы, которые очень важно использовать во всех цифровых схемах. Цифровым микросхемам или микросхемам для работы в идеале требуется стабильное напряжение. Любые всплески или колебания напряжения могут привести к неработоспособности микросхемы, а иногда микросхема может быть разрушена. Именно здесь в игру вступает развязывающий конденсатор. Это конденсаторы, которые обычно устанавливаются рядом с микросхемами, соединяющими выводы VCC и GND микросхемы, как показано на приведенной выше принципиальной схеме.

Когда схема включена, развязка Конденсатор начинает заряжаться через Vcc и прекращает зарядку, когда напряжение Конденсатора достигает подаваемого напряжения. В этот момент, когда есть колебания напряжения питания, конденсатор будет подавать питание на ИС в течение короткого периода времени, чтобы поддерживать стабильное напряжение на ИС. Также при скачке входного напряжения питания конденсатор начинает заряжаться до нового напряжения питания. Это при этом поддерживает стабильное напряжение на входе IC1. В больших схемах с большим количеством ИС часто советуют использовать большой конденсатор рядом с источником питания и малый конденсатор рядом с каждой ИС, используемой в цепи.Большой конденсатор будет обеспечивать стабильное напряжение по всей цепи. Маленькие колпачки удовлетворяют потребности используемых с ними микросхем.

КОНДЕНСАТОР МУФТЫ:

Мы видели, что развязывающие конденсаторы используются для блокировки колебаний напряжения или, другими словами, они помогают блокировать сигналы переменного тока, поскольку колебания или падение напряжения являются формой сигнала переменного тока, поскольку напряжение сигнала изменяется со временем. Конденсатор связи, с другой стороны, блокирует сигнал постоянного тока, позволяя проходить сигналу переменного тока.Другими словами, эти конденсаторы используются для соединения или связи входного сигнала переменного тока со следующим этапом схемы путем блокировки нежелательных сигналов постоянного тока.

Эти конденсаторы широко используются в усилителях и аудио приложениях, где нас интересуют только сигналы переменного тока. Возьмем, к примеру, звуковую цепь, питаемую от источника постоянного тока напряжением 9 В. Схема принимает голосовой ввод с микрофона, и этот голосовой ввод (сигнал переменного тока) является нашей достопримечательностью. Существует большая вероятность того, что сигнал постоянного тока от источника питания 9 В может смешаться с этим входным голосовым сигналом.И чтобы исключить этот элемент постоянного тока из нашего голосового входа, используется конденсатор связи C1 (показанный на схеме выше), где он блокирует сигнал постоянного тока и пропускает сигнал с переменной частотой. Помните, мы узнали, что конденсатор предлагает очень высокое сопротивление или блокирует сигнал постоянного тока.

Не только постоянный ток, при правильном выборе значений конденсатора мы можем успешно блокировать нежелательные низкие частоты и разрешать только желаемые высокие частоты. Это регулируется реактивным сопротивлением конденсатора, которое задается формулой Xc = 1 / 2πFC (мы видели это ранее в этом руководстве).Помните, мы уже знаем, что конденсатор обеспечивает высокую реактивность на низких частотах, тогда как для высоких частот значение реактивного сопротивления будет низким. Поэтому для того, чтобы конденсатор связи допускал низкочастотные сигналы, нам необходимо использовать конденсаторы более высоких значений, а для высокочастотных сигналов будет достаточно более низких значений конденсаторов.

ФИЛЬТРЫ:

Это схемные блоки, используемые для фильтрации нежелательных частот из входного сигнала. Конденсаторы являются неотъемлемой частью конструкции фильтров наряду с резисторами и индукторами.Фильтры имеют расширенные функциональные возможности, чем разделительные конденсаторы. В основном есть три разных типа фильтров, о которых вам нужно знать.

ФИЛЬТР НИЗКОГО ПРОХОДА:

Фильтры нижних частот используются для разрешения частотных составляющих ниже частоты среза и блокируют частотные составляющие выше этой. Вот как это работает, когда входящий сигнал имеет низкую частоту. Конденсатор демонстрирует высокое реактивное сопротивление (высокое сопротивление) по сравнению с резистором. Следовательно, напряжение на конденсаторе будет очень высоким по сравнению с падением напряжения на резисторе.Таким образом, мы получим входящий сигнал без ослабления или с низким затуханием. Между тем, когда входящий сигнал имеет высокую частоту, реактивное сопротивление конденсатора будет низким. Таким образом, падение напряжения на резисторе будет очень большим по сравнению с напряжением конденсатора, что не позволит сигналу достичь следующего каскада.

ФИЛЬТР ВЫСОКОГО ПРОХОДА:

Это фильтры, которые пропускают только сигнал с частотами выше частоты среза и блокируют сигнал с более низкими частотами. Здесь происходит то, что входящий сигнал имеет низкую частоту. Конденсатор демонстрирует высокое реактивное сопротивление и действует как разомкнутая цепь для сигнала.С другой стороны, когда входящий сигнал высокочастотного конденсатора показывает низкое реактивное сопротивление (сопротивление). Это очень мало по сравнению с резистором R1. Здесь падение напряжения на конденсаторе будет очень минимальным по сравнению с резистором, что позволяет выводить высокочастотный сигнал без ослабления или с низким затуханием.

БАНДПАССОВЫЙ ФИЛЬТР:

Это комбинация фильтра высоких и низких частот. Этот фильтр пропускает только сигнал определенной полосы частот и блокирует сигнал за пределами этого диапазона частот.Этот тип фильтра в идеале должен иметь две частоты среза: верхнюю и нижнюю частоту среза. Этот фильтр блокирует сигнал, частота которого меньше нижней частоты среза и выше верхней частоты среза. Как вы можете видеть в приведенной выше схеме, она построена с использованием фильтров высоких и низких частот. Комбинация из них позволит использовать только полосу частот между верхними и нижними частотами среза и блокирует сигнал за пределами этих частот.

ЦЕПИ ГРМ:

Из того, что мы видели до сих пор, мы знаем, что при использовании конденсатора с постоянным током требуется время для зарядки и достижения приложенного напряжения.Эти схемы синхронизации используют эту характеристику конденсатора и используют ее для создания необходимых временных задержек. Но здесь, наряду с конденсатором, вместе с ним используется резистор для управления скоростью зарядки конденсатора, что, в свою очередь, влияет на временную задержку.

Показанная выше схема представляет собой RC-схему синхронизации, в которой на конденсатор C1 подается постоянный источник постоянного напряжения 9 В. Задержка времени, генерируемая с помощью этой схемы, определяется с помощью постоянной времени T. Постоянная времени может быть рассчитана по формуле

T = RC

Конденсатору требуется 5Т или 5-кратная постоянная времени для полной зарядки.Таким образом, применение указанных выше значений резистора и конденсатора в этом уравнении даст задержку в 5 секунд. Пятисекундная задержка для достижения конденсатором напряжения питания 9 В на его выводах с момента включения питания.

5 зуб. = 5 x R x C

= 5 x 10 кОм x 100 мкФ

Время задержки = 5 сек.

Интересная вещь происходит за работой этой схемы, чтобы генерировать требуемую задержку времени. Чтобы понять это, давайте взглянем на кривую заряда на графике конденсатора.

На приведенном выше графике показано соотношение между напряжением, током и временем, затрачиваемым на зарядку конденсатора. В момент времени t = 0 конденсатор будет в разряженном состоянии, и на цепь будет подаваться постоянное напряжение. После подачи напряжения зарядный ток течет через конденсатор, накапливая одинаковые и противоположные заряды на пластинах. Это приводит к увеличению напряжения конденсатора Vc. В начале зарядный ток будет максимальным. Конденсатор будет заряжен на 63% от напряжения питания, когда время достигнет постоянной T, которая отмечена 1 на графике выше.

В связи с вышеупомянутой схемой T будет составлять 1 секунду, и к тому времени напряжение конденсатора будет 63% от 9 В, что составляет 5,67 В. И из графика вы можете вывести на 5T (постоянная времени), конденсатор будет заряжен до подаваемого напряжения, полностью остановив ток зарядки. Теперь говорят, что конденсатор полностью заряжен.

Используя уравнение 5T = 5RC, вы можете зафиксировать значения конденсатора и резистора, чтобы заставить эту RC-цепь генерировать требуемую временную задержку для любого приложения.

БАК ИЛИ НАСТРОЕННЫЕ ЦЕПИ:

Цепи этого типа чаще всего используются в радиопередатчиках, приемниках и приложениях выбора частоты. Конденсатор работает вместе с индуктором в этих цепях, чтобы выполнять свою работу. Резервные или настроенные схемы будут использоваться, когда нам нужно сгенерировать сигнал или получить сигнал определенной частоты из сложного сигнала с несколькими частотными компонентами в нем, и отсюда появилось слово «настроенный». Элементы в этой цепи C и L могут быть настроены в соответствии с нашими потребностями.

Работа вышеуказанной схемы основана на реактивном сопротивлении как конденсатора, так и индуктора. Как и конденсатор, индуктор демонстрирует реактивное сопротивление. Но в отличие от конденсатора индуктор демонстрирует высокое реактивное сопротивление к высокочастотным сигналам, тогда как конденсатор демонстрирует высокое реактивное сопротивление к низкочастотным сигналам. Этот контур резервуара будет построен таким образом, чтобы реактивное сопротивление обоих элементов конденсатора и индуктора было одинаковым на частоте, тем самым достигая резонанса. В резонансе этот контур резервуара способен генерировать сигналы заданной частоты или принимать сигналы этой частоты.

Вот как это работает: когда конденсатор, подключенный к этой схеме, заряжен, он накапливает заряды между пластинами. Затем ток от конденсатора переместится в индуктор, который, в свою очередь, создаст вокруг него магнитное поле. Это приводит к истощению зарядов на пластинах, и напряжение на них падает до нуля. Индуктор имеет свойство сопротивляться изменению протекания через него тока. Как только ток от конденсатора прекращается, магнитное поле индуктора схлопывается, позволяя току течь через цепь.Этот ток достигает конденсатора и снова заряжает его, создавая заряды на его пластинах и вырабатывая на нем напряжение. Этот цикл продолжает повторяться снова и снова, генерируя сигналы резонансной частоты. Мы также можем использовать эту схему для извлечения сигналов этой частоты из сложного сигнала.

СВОДКА О КОНДЕНСАТОРАХ:

1. Конденсаторы состоят из двух параллельных пластин, разделенных изолирующей средой или диэлектриками.
2. Конденсаторы накапливают энергию в виде электрического заряда, в результате чего на пластинах возникает напряжение.
3. Количество заряда, которое он может хранить на своей пластине, определяется его значением емкости.
4. Он позволяет сигналу постоянного тока проходить только в течение определенного периода времени, позволяя сигналу переменного тока проходить бесконечно.
5. Обладает высоким реактивным сопротивлением (сопротивлением) низкочастотным сигналам и низким реактивным сопротивлением высокочастотным сигналам.
Конденсаторы
6. чаще всего используются в усилителях, фильтрах, источниках питания, трансиверах и т. Д.

Это в основном о конденсаторе и его работе.Надеюсь, что это руководство будет информативным и даст вам представление о его работе и о том, как использовать его в практических схемах. Я также хотел бы добавить, что есть другие приложения Capacitor, которые мы не рассмотрели в этом руководстве. Но здесь я рассмотрел самые важные приложения.

В ближайшее время мы опубликуем руководство по другим компонентам. Подпишитесь на нашу рассылку новостей и следите за нами через каналы социальных сетей, чтобы получать регулярные обновления с нашего веб-сайта. Если у вас есть какие-либо вопросы относительно конденсаторов, оставьте их в поле для комментариев ниже, я буду рад ответить на ваши вопросы.

4.1 Конденсаторы и емкость – Введение в электричество, магнетизм и схемы

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

---

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните понятие конденсатора и его емкости
• Опишите, как оценить емкость системы проводников

Конденсатор – это устройство, используемое для хранения электрического заряда и электрической энергии. Он состоит как минимум из двух электрических проводников, разделенных расстоянием.(Обратите внимание, что такие электрические проводники иногда называют «электродами», но, точнее, это «обкладки конденсатора».) Пространство между конденсаторами может быть просто вакуумом, и в этом случае конденсатор будет известен как «Вакуумный конденсатор». Однако пространство обычно заполняется изолирующим материалом, известным как диэлектрик . (Вы узнаете больше о диэлектриках в разделах, посвященных диэлектрикам, далее в этой главе.) Объем накопителя в конденсаторе определяется свойством, называемым емкостью , , о котором вы узнаете больше чуть позже в этом разделе.

Конденсаторы

имеют различные применения: от фильтрации статического электричества, от радиоприема до накопления энергии в дефибрилляторах сердца. Обычно у промышленных конденсаторов две проводящие части расположены близко друг к другу, но не соприкасаются, как показано на рисунке 4.1.1. В большинстве случаев между двумя пластинами используется диэлектрик. Когда клеммы батареи подключены к первоначально незаряженному конденсатору, потенциал батареи перемещает небольшой заряд величины от положительной пластины к отрицательной пластине.Конденсатор в целом остается нейтральным, но заряжается и находится на противоположных пластинах.

(рисунок 4.1.1)

Рисунок 4.1.1. Оба конденсатора, показанные здесь, были изначально разряжены перед подключением к батарее. Теперь у них есть заряды и (соответственно) на своих тарелках. (a) Конденсатор с параллельными пластинами состоит из двух пластин противоположного заряда с площадью A, разделенной расстоянием d. (b) Катаный конденсатор имеет диэлектрический материал между двумя проводящими листами (пластинами).

Система, состоящая из двух идентичных параллельно проводящих пластин, разделенных расстоянием, называется конденсатором с параллельными пластинами (рисунок 4.1.2). Величина электрического поля в пространстве между параллельными пластинами равна, где обозначает поверхностную плотность заряда на одной пластине (напомним, что σσ – это заряд на площадь поверхности). Таким образом, величина поля прямо пропорциональна.

(рисунок 4.1.2)

Рисунок 4.1.2. Разделение зарядов в конденсаторе показывает, что заряды остаются на поверхности пластин конденсатора.Линии электрического поля в конденсаторе с параллельными пластинами начинаются с положительных зарядов и заканчиваются отрицательными зарядами. Величина электрического поля в пространстве между пластинами прямо пропорциональна количеству заряда на конденсаторе.

Конденсаторы с разными физическими характеристиками (такими как форма и размер пластин) накапливают разное количество заряда для одного и того же приложенного напряжения на своих пластинах. Емкость , конденсатора определяется как отношение максимального заряда, который может храниться в конденсаторе, к приложенному напряжению на его пластинах.Другими словами, емкость – это наибольшая величина заряда на вольт, которая может храниться на устройстве:

(4.1.1)

Единица измерения емкости в системе СИ – фарад (), названная в честь Майкла Фарадея (1791–1867). Поскольку емкость – это заряд на единицу напряжения, один фарад равен одному кулону на один вольт, или

.

По определению, конденсатор способен накапливать заряд (очень большой заряд), когда разность потенциалов между его пластинами равна всего.Следовательно, одна фарада – это очень большая емкость. Типичные значения емкости варьируются от пикофарад () до миллифарад (), включая микрофарады (). Конденсаторы могут изготавливаться различных форм и размеров (рисунок 4.1.3).

(рисунок 4.1.3)

Рисунок 4.1.3 Это некоторые типичные конденсаторы, используемые в электронных устройствах. Размер конденсатора не обязательно зависит от его емкости.

Расчет емкости

Мы можем рассчитать емкость пары проводов с помощью следующего стандартного подхода.

---

Стратегия решения проблем: расчет емкости

Чтобы показать, как работает эта процедура, мы теперь вычисляем емкости параллельных пластин, сферических и цилиндрических конденсаторов. Во всех случаях мы предполагаем вакуумные конденсаторы (пустые конденсаторы) без диэлектрического вещества в пространстве между проводниками.

Конденсатор с параллельными пластинами

Конденсатор с параллельными пластинами (рисунок 4.1.4) имеет две идентичные проводящие пластины, каждая из которых имеет площадь поверхности, разделенную расстоянием.Когда на конденсатор подается напряжение, он накапливает заряд, как показано на рисунке. Мы можем увидеть, как его емкость может зависеть от и , рассматривая характеристики кулоновской силы. Мы знаем, что сила между зарядами увеличивается с увеличением заряда и уменьшается с расстоянием между ними. Следует ожидать, что чем больше пластины, тем больше заряда они могут хранить. Таким образом, должно быть больше для большего значения. Точно так же, чем ближе пластины расположены друг к другу, тем сильнее на них притяжение противоположных зарядов.Следовательно, должно быть больше для меньшего.

(рисунок 4.1.4)

Рисунок 4.1.4. В конденсаторе с параллельными обкладками, разделенными между собой обкладками, каждая обкладка имеет одинаковую площадь поверхности.

Определим плотность поверхностного заряда σσ на пластинах как

Из предыдущих глав мы знаем, что когда оно мало, электрическое поле между пластинами довольно однородно (без учета краевых эффектов) и что его величина определяется как

.

где постоянная ε0ε0 – диэлектрическая проницаемость свободного пространства,.Единица СИ эквивалентна. Поскольку электрическое поле между пластинами однородно, разность потенциалов между пластинами составляет

.

Следовательно, уравнение 4.1.3 дает емкость конденсатора с параллельными пластинами как

(4.1.3)

Обратите внимание на это уравнение, что емкость является функцией только геометрии и того, какой материал заполняет пространство между пластинами (в данном случае вакуум) этого конденсатора. Фактически, это верно не только для конденсатора с параллельными пластинами, но и для всех конденсаторов: емкость не зависит от или.Если заряд изменяется, соответственно изменяется и потенциал, так что он остается постоянным.

ПРИМЕР 4.1.1

---

Емкость и заряд в конденсаторе с параллельными пластинами

(a) Какова емкость пустого конденсатора с параллельными пластинами с металлическими пластинами, каждая из которых имеет площадь, разделенную на? (б) Сколько заряда хранится в этом конденсаторе, если к нему приложено напряжение?

Стратегия

Определение емкости – это прямое приложение уравнения 4.1.3. Как только мы найдем, мы сможем найти накопленный заряд, используя уравнение 4.1.1.

Решение

а. Ввод данных значений в уравнение 4.1.3 дает

Это небольшое значение емкости указывает на то, насколько сложно сделать устройство с большой емкостью.

г. Обращение уравнения 4.1.1 и ввод известных значений в это уравнение дает

Значение

Этот заряд лишь немного больше, чем в типичных приложениях статического электричества.Поскольку воздух разрушается (становится проводящим) при напряженности электрического поля около, на этом конденсаторе больше не может храниться заряд при увеличении напряжения.

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 4.1

---

Емкость конденсатора с параллельными пластинами составляет. Если площадь каждой пластины равна, каково расстояние между пластинами?

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 4.2

---

Убедитесь, что у вас одинаковые физические единицы.

Сферический конденсатор

Сферический конденсатор – это еще один набор проводников, емкость которых можно легко определить (Рисунок 4.1.5). Он состоит из двух концентрических проводящих сферических оболочек радиусов (внутренняя оболочка) и (внешняя оболочка). Снарядам придаются равные и противоположные заряды и соответственно. Из-за симметрии электрическое поле между оболочками направлено радиально наружу. Мы можем получить величину поля, применив закон Гаусса к сферической гауссовой поверхности радиусом r , концентричной оболочкам. Вложенная плата есть; следовательно, у нас есть

Таким образом, электрическое поле между проводниками равно

.

Мы подставляем это в уравнение 4.1.2 и интегрировать по радиальному пути между оболочками:

В этом уравнении разность потенциалов между пластинами равна. Мы подставляем этот результат в уравнение 4.1.1, чтобы найти емкость сферического конденсатора:

(4.1.4)

(рисунок 4.1.5)

Рисунок 4.1.5. Сферический конденсатор состоит из двух концентрических проводящих сфер. Обратите внимание, что заряды на проводнике находятся на его поверхности.

ПРИМЕР 4.1,3

---

Емкость изолированной сферы

Рассчитайте емкость одиночной изолированной проводящей сферы радиуса и сравните ее с уравнением 4.1.4 в пределе как.

Стратегия

Мы предполагаем, что на сфере есть заряд, и поэтому выполняем четыре шага, описанные ранее. Мы также предполагаем, что другой проводник представляет собой концентрическую полую сферу бесконечного радиуса.

Решение

На внешней стороне изолированной проводящей сферы электрическое поле задается уравнением 4.1.2. Величина разности потенциалов между поверхностью изолированной сферы и бесконечностью составляет

.

Таким образом, емкость изолированной сферы равна

.

Значение

Тот же результат можно получить, взяв предел уравнения 4.1.4 в качестве. Таким образом, одиночная изолированная сфера эквивалентна сферическому конденсатору, внешняя оболочка которого имеет бесконечно большой радиус.

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 4.3

Радиус внешней сферы сферического конденсатора в пять раз больше радиуса его внутренней оболочки.Какие размеры у этого конденсатора, если его емкость?

Цилиндрический конденсатор

Цилиндрический конденсатор состоит из двух концентрических проводящих цилиндров (рисунок 4.1.6). Внутренний цилиндр радиуса может быть либо оболочкой, либо полностью твердым. Внешний цилиндр представляет собой оболочку внутреннего радиуса. Мы предполагаем, что длина каждого цилиндра равна и что избыточные заряды и находятся на внутреннем и внешнем цилиндрах соответственно.

(рисунок 4.1.6)

Рисунок 4.1.6 Цилиндрический конденсатор состоит из двух концентрических проводящих цилиндров. Здесь заряд на внешней поверхности внутреннего цилиндра положительный (обозначен), а заряд на внутренней поверхности внешнего цилиндра отрицательный (обозначен).

Без учета краевых эффектов электрическое поле между проводниками направлено радиально наружу от общей оси цилиндров. Используя гауссову поверхность, показанную на рисунке 4.1.6, мы имеем

Следовательно, электрическое поле между цилиндрами равно

(4.1,5)

Здесь \ hat {\ mathrm {r}} – единичный радиальный вектор по радиусу цилиндра. Мы можем подставить в уравнение 4.1.2 и найти разность потенциалов между цилиндрами:

Таким образом, емкость цилиндрического конденсатора составляет

(4.1.6)

Как и в других случаях, эта емкость зависит только от геометрии расположения проводников. Важным применением уравнения 4.1.6 является определение емкости на единицу длины коаксиального кабеля , который обычно используется для передачи изменяющихся во времени электрических сигналов.Коаксиальный кабель состоит из двух концентрических цилиндрических проводников, разделенных изоляционным материалом. (Здесь мы предполагаем наличие вакуума между проводниками, но физика качественно почти такая же, когда пространство между проводниками заполнено диэлектриком.) Эта конфигурация экранирует электрический сигнал, распространяющийся по внутреннему проводнику, от паразитных электрических полей, внешних по отношению к проводнику. кабель. Ток течет в противоположных направлениях во внутреннем и внешнем проводниках, при этом внешний проводник обычно заземлен.Теперь из уравнения 4.1.6 емкость коаксиального кабеля на единицу длины равна

.

В практических приложениях важно выбрать конкретные значения. Это может быть достигнуто за счет соответствующего выбора радиусов проводников и изоляционного материала между ними.

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 4.4

---

Когда цилиндрический конденсатор заряжается, между цилиндрами измеряется разность потенциалов.а) Какова емкость этой системы? б) Если цилиндры длинные, каково соотношение их радиусов?

Несколько типов практических конденсаторов показаны на рисунке 4.1.3. Обычные конденсаторы часто состоят из двух небольших кусочков металлической фольги, разделенных двумя небольшими кусочками изоляции (см. Рисунок 4.1.1 (b)). Металлическая фольга и изоляция покрыты защитным покрытием, а два металлических вывода используются для подключения фольги к внешней цепи. Некоторые распространенные изоляционные материалы – это слюда, керамика, бумага и антипригарное покрытие Teflon ™.

Другой популярный тип конденсатора – электролитический конденсатор . Он состоит из окисленного металла в проводящей пасте. Основным преимуществом электролитического конденсатора является его высокая емкость по сравнению с другими распространенными типами конденсаторов. Например, емкость одного типа алюминиевого электролитического конденсатора может достигать. Однако вы должны быть осторожны при использовании электролитического конденсатора в цепи, потому что он работает правильно только тогда, когда металлическая фольга находится под более высоким потенциалом, чем проводящая паста.Когда возникает обратная поляризация, электролитическое действие разрушает оксидную пленку. Этот тип конденсатора не может быть подключен к источнику переменного тока, потому что в половине случаев переменное напряжение будет иметь неправильную полярность, поскольку переменный ток меняет свою полярность (см. Схемы переменного тока в цепях переменного тока).

Переменный воздушный конденсатор (рисунок 4.1.7) имеет два набора параллельных пластин. Один набор пластин закреплен (обозначен как «статор»), а другой набор пластин прикреплен к валу, который может вращаться (обозначается как «ротор»).Поворачивая вал, можно изменять площадь поперечного сечения в перекрытии пластин; следовательно, емкость этой системы может быть настроена на желаемое значение. Настройка конденсаторов находит применение в любом типе радиопередачи и при приеме радиосигналов от электронных устройств. Каждый раз, когда вы настраиваете автомобильное радио на любимую станцию, думайте о емкости.

(рисунок 4.1.7)

Рисунок 4.1.7. В конденсаторе переменного тока емкость можно регулировать, изменяя эффективную площадь пластин.(кредит: модификация работы Робби Спроул)

Символы, показанные на рисунке 4.1.8, представляют собой схемные изображения различных типов конденсаторов. Обычно мы используем символ, показанный на рис. 4.1.8 (а). Символ на Рисунке 4.1.8 (c) представляет конденсатор переменной емкости. Обратите внимание на сходство этих символов с симметрией конденсатора с параллельными пластинами. Электролитический конденсатор представлен символом на рис. 4.1.8 (b), где изогнутая пластина обозначает отрицательный вывод.

(рисунок 4.1.8)

Рисунок 4.1.8 Здесь показаны три различных схемных представления конденсаторов. Символ в (а) является наиболее часто используемым. Символ в (b) представляет собой электролитический конденсатор. Символ в (c) представляет конденсатор переменной емкости.

Интересный прикладной пример модели конденсатора взят из клеточной биологии и имеет дело с электрическим потенциалом в плазматической мембране живой клетки (рис. 4.1.9). Клеточные мембраны отделяют клетки от их окружения, но позволяют некоторым отобранным ионам проходить внутрь или из клетки.Разность потенциалов на мембране составляет около. Клеточная мембрана может быть слишком толстой. Рассматривая клеточную мембрану как конденсатор наноразмеров, оценка наименьшей напряженности электрического поля на его «пластинах» дает значение.

Этой величины электрического поля достаточно, чтобы вызвать электрическую искру в воздухе.

(рисунок 4.1.9)

Рисунок 4.1.9. Полупроницаемая мембрана биологической клетки имеет разные концентрации ионов на внутренней поверхности, чем на внешней.Диффузия перемещает ионы (калия) и (хлорида) в показанных направлениях, пока кулоновская сила не остановит дальнейший перенос. Таким образом, внешняя часть мембраны приобретает положительный заряд, а ее внутренняя поверхность приобретает отрицательный заряд, создавая разность потенциалов на мембране. Мембрана обычно непроницаема для (ионов натрия).

Кандела Цитаты

Лицензионный контент CC, конкретная атрибуция

• Загрузите бесплатно с http: // cnx.org/contents/[email protected]. Получено с : http://cnx.org/contents/[email protected]. Лицензия : CC BY: Атрибуция

Емкость и конденсаторы | Analog Devices

I. Общие сведения о паразитных эффектах в конденсаторах:

В. Мне нужно понять, как правильно выбрать конденсатор для моего приложения, но я не совсем понимаю преимущества и недостатки множества различных типов.

A. Выбор подходящего типа конденсатора для конкретного применения не так уж и сложен. Как правило, вы обнаружите, что большинство конденсаторов относятся к одной из четырех категорий применения:

• Муфта переменного тока , включая байпас (пропускание сигналов переменного тока при блокировке постоянного тока)
• развязка (фильтрация переменного тока или высоких частот, наложенных на постоянный или низкие частоты в силовых, опорных и сигнальных цепях)
• активные / пассивные фильтры RC или частотно-избирательные сети
• Аналоговые интеграторы и схемы выборки и хранения (получение и сохранение заряда)

Несмотря на то, что существует более десятка или около того популярных типов конденсаторов, включая полимерные, пленочные, керамические, электролитические и т. Д.- вы обнаружите, что, как правило, только один или два типа лучше всего подходят для конкретного приложения, потому что явные недостатки или «паразитные эффекты» на производительность системы, связанные с другими типами конденсаторов, заставят их устранить.

---

В. О каких «паразитических эффектах» вы говорите?

A. В отличие от «идеального» конденсатора, «настоящий» конденсатор характеризуется дополнительными «паразитными» или «неидеальными» компонентами или поведением в виде резистивных и индуктивных элементов, нелинейности и диэлектрической памяти.Результирующие характеристики этих компонентов обычно указываются в паспорте производителя конденсатора. Понимание влияния этих паразитных факторов в каждом приложении поможет вам выбрать правильный тип конденсатора.

---

В. Хорошо, каковы наиболее важные параметры, описывающие неидеальное поведение конденсатора?

A. Четыре наиболее распространенных эффекта: утечка (параллельное сопротивление), эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) и диэлектрическое поглощение (память).

Утечка конденсатора, R _P : Утечка является важным параметром в приложениях связи по переменному току, в устройствах хранения, таких как аналоговые интеграторы и держатели образцов, а также при использовании конденсаторов в цепях с высоким импедансом.

В идеальном конденсаторе заряд Q изменяется только в зависимости от тока, протекающего извне. Однако в реальном конденсаторе сопротивление утечки позволяет заряду стекать со скоростью, определяемой постоянной времени R-C.

Конденсаторы электролитического типа (тантал и алюминий), отличающиеся высокой емкостью, имеют очень высокий ток утечки (обычно порядка 5-20 нА на мкФ) из-за низкого сопротивления изоляции и не подходят для хранения или связи Приложения.

Наилучшим выбором для соединений и / или хранения является тефлон (политетрафторэтилен) и другие «поли» типы (полипропилен, полистирол и т. Д.).

Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), R _S : Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) конденсатора – это сопротивление выводов конденсатора, соединенных последовательно с эквивалентным сопротивлением пластин конденсатора.ESR заставляет конденсатор рассеивать мощность (и, следовательно, производить потери), когда протекают высокие переменные токи. Это может иметь серьезные последствия для ВЧ и разделительных конденсаторов питания, несущих большие токи пульсации, но вряд ли окажет большое влияние на прецизионные низкоомные аналоговые схемы с высоким импедансом.

Конденсаторы с самым низким ESR включают как слюдяные, так и пленочные типы.

Эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) , L _S : Эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) конденсатора моделирует индуктивность выводов конденсатора, соединенных последовательно с эквивалентной индуктивностью пластин конденсатора.Как и ESR, ESL также может быть серьезной проблемой на высоких (RF) частотах, даже если сама прецизионная схема может работать на постоянном токе или на низких частотах. Причина в том, что транзисторы, используемые в прецизионных аналоговых схемах, могут иметь усиление, достигающее переходных частот ( F _t ) в сотни МГц или даже несколько ГГц, и могут усиливать резонансы с низкими значениями индуктивности. Это делает важным, чтобы клеммы источника питания таких цепей были должным образом развязаны на высокой частоте.

Электролитические, бумажные или пластмассовые пленочные конденсаторы – плохой выбор для развязки на высоких частотах; в основном они состоят из двух листов металлической фольги, разделенных листами пластикового или бумажного диэлектрика и скрученных в рулон. Такая структура имеет значительную самоиндукцию и действует больше как индуктор, чем конденсатор на частотах, превышающих всего несколько МГц.

Более подходящим выбором для ВЧ развязки является монолитный керамический конденсатор с очень низкой последовательной индуктивностью.Он состоит из многослойного сэндвича из металлических пленок и керамического диэлектрика, причем пленки соединены параллельно шинам, а не скручены последовательно.

Незначительный компромисс заключается в том, что монолитные керамические конденсаторы могут быть микрофонными (то есть чувствительными к вибрации), а некоторые типы могут даже быть саморезонансными со сравнительно высокой добротностью из-за низкого последовательного сопротивления, сопровождающего их низкую индуктивность. С другой стороны, дисковые керамические конденсаторы иногда бывают довольно индуктивными, хотя и менее дорогими.

---

В. Я видел термин «коэффициент рассеяния» в таблицах выбора конденсаторов. Что это?

A. Хороший вопрос. Поскольку утечку, ESR и ESL почти всегда сложно определить по отдельности, многие производители объединяют утечку, ESR и ESL в единую спецификацию, известную как коэффициент рассеяния или DF, который в основном описывает неэффективность конденсатора. DF определяется как отношение энергии, рассеиваемой за цикл, к энергии, запасенной за цикл.На практике это равно коэффициенту мощности диэлектрика или косинусу фазового угла. Если рассеяние на высоких частотах в основном моделируется как последовательное сопротивление, на интересующей критической частоте отношение эквивалентного последовательного сопротивления, ESR, к общему емкостному реактивному сопротивлению является хорошей оценкой DF,

Коэффициент рассеяния также оказывается эквивалентным обратной величине добротности конденсатора, или Q, которая также иногда указывается в паспорте производителя.

Диэлектрическая абсорбция, RDA, CDA: Монолитные керамические конденсаторы отлично подходят для ВЧ развязки, но они имеют значительное диэлектрическое поглощение , что делает их непригодными для использования в качестве запоминающего конденсатора усилителя удержания образца (SHA). Диэлектрическая абсорбция – это гистерезисное внутреннее распределение заряда, которое заставляет конденсатор, который быстро разряжается, а затем размыкается, чтобы восстановить часть своего заряда. Поскольку количество восстановленного заряда является функцией его предыдущего заряда, это, по сути, зарядная память и вызовет ошибки в любом SHA, где такой конденсатор используется в качестве запоминающего конденсатора.

Конденсаторы, которые рекомендуются для этого типа применения, включают конденсаторы «поли» типа, о которых мы говорили ранее, то есть полистирол, полипропилен или тефлон. Эти типы конденсаторов имеют очень низкое диэлектрическое поглощение (обычно <0,01%).

Общие характеристики конденсаторов приведены в сравнительной таблице конденсаторов внизу этой страницы.

Замечание о высокочастотной развязке в целом: Лучший способ гарантировать, что аналоговая цепь должным образом развязана как на высоких, так и на низких частотах, – это использовать конденсатор электролитического типа, такой как танталовый шарик, параллельно с монолитно-керамический.Комбинация будет иметь высокую емкость на низкой частоте и останется емкостной до довольно высоких частот. Обычно нет необходимости иметь танталовый конденсатор на каждой отдельной ИС, за исключением критических случаев; если между каждой ИС и танталовым конденсатором имеется менее 10 см достаточно широкой дорожки для ПК, можно использовать один танталовый конденсатор для нескольких ИС.

Еще одна вещь, о которой следует помнить о высокочастотной развязке, – это фактическое физическое размещение конденсатора.Даже короткие отрезки провода имеют значительную индуктивность, поэтому устанавливайте ВЧ развязывающие конденсаторы как можно ближе к ИС и убедитесь, что выводы состоят из коротких широких дорожек ПК.

В идеале, ВЧ развязывающие конденсаторы должны быть частями для поверхностного монтажа, чтобы исключить индуктивность выводов, но конденсаторы с проволочным концом в порядке, при условии, что длина выводов устройства не превышает 1,5 мм.

---

II. Паразитная емкость:

Теперь, когда мы поговорили о паразитных эффектах конденсаторов как компонентов, давайте поговорим о другой форме паразитной емкости, известной как «паразитная» емкость.

В. Что это?

A. Что ж, точно так же, как конденсатор с параллельными пластинами, паразитные конденсаторы образуются, когда два проводника находятся в непосредственной близости друг от друга (особенно, если они идут параллельно), и не закорочены вместе и не экранированы проводником, служащим в качестве щит Фарадея.

Паразитная или паразитная емкость обычно возникает между параллельными дорожками на печатной плате или между дорожками / плоскостями на противоположных сторонах печатной платы. Возникновение и эффекты паразитной емкости, особенно на очень высоких частотах, к сожалению, часто упускаются из виду при моделировании схемы и могут привести к серьезным проблемам с производительностью, когда системная плата сконструирована и собрана; Примеры включают больший шум, пониженную частотную характеристику и даже нестабильность.

Например, если формула емкости применяется к случаю следов на противоположных сторонах платы, то для материала печатной платы общего назначения (E _R = 4,7, d = 1,5 мм) емкость между проводниками на противоположных сторонах платы. плата чуть ниже 3 пФ / см ² . На частоте 250 МГц 3 пФ соответствуют реактивному сопротивлению 212,2 Ом!

---

В. Итак, как я могу устранить паразитную емкость?

A. Вы никогда не сможете “устранить” паразитную емкость; Лучшее, что вы можете сделать, – это принять меры, чтобы минимизировать его влияние в цепи.

В. Как мне это сделать?

A. Что ж, один из способов минимизировать влияние паразитной связи – это использовать экран Фарадея, который представляет собой просто заземленный проводник между источником связи и цепью, на которую воздействуют.

В. Как это работает?

A. Посмотрите на рисунок; это эквивалентная схема, показывающая, как источник высокочастотного шума V _N связан с полным сопротивлением системы Z через паразитную емкость C. из Z ₁ , следующим лучшим решением является установка щита Фарадея:

Как показано ниже, экран Фарадея прерывает электрическое поле связи.Обратите внимание, как экран заставляет шум и токи связи возвращаться к их источнику, не протекая через Z ₁ .

Другой пример емкостной связи – керамические ИС с пайкой сбоку. Эти DIP-пакеты имеют небольшую квадратную проводящую крышку из ковара, припаянную к металлизированному краю на керамической крышке корпуса. Производители упаковки предлагают только два варианта: металлизированный ободок можно соединить с одним из угловых штырей упаковки или оставить неподключенным. Большинство логических схем имеют вывод заземления в одном из углов корпуса, поэтому крышка заземлена.Но у многих аналоговых схем нет контакта заземления в углу корпуса, и крышка остается плавающей. Такие схемы оказываются гораздо более уязвимыми к шуму электрического поля, чем тот же чип в пластиковом корпусе DIP, где чип неэкранирован.

Каким бы ни был уровень шума окружающей среды, для пользователя рекомендуется заземлять крышку любой боковой паяной керамической ИС, если крышка не заземлена производителем. Это можно сделать с помощью проволоки, припаянной к крышке (это не повредит устройство, так как микросхема термически и электрически изолирована от крышки).Если пайка к крышке недопустима, можно использовать заземленный зажим из фосфористой бронзы для заземления или использовать токопроводящую краску для соединения крышки с контактом заземления. Никогда не пытайтесь заземлить такую ​​крышку, не убедившись, что она действительно не подключена ; существуют типы устройств, крышка которых соединена с шиной питания, а не с землей!

Один случай, когда экран Фарадея неосуществим, – это между соединительными проводами интегральной микросхемы. Это имеет важные последствия.Паразитная емкость между двумя соединительными проводами микросхемы и связанными с ними выводами составляет порядка 0,2 пФ; наблюдаемые значения обычно лежат между 0,05 и 0,6 пФ.

Рассмотрим преобразователь высокого разрешения (АЦП или ЦАП), который подключен к высокоскоростной шине данных. Каждая линия шины данных (которая будет переключаться со скоростью от 2 до 5 В / нс) сможет влиять на аналоговый порт преобразователя через эту паразитную емкость; последующее объединение цифровых фронтов ухудшит характеристики преобразователя.

Этой проблемы можно избежать, изолировав шину данных, вставив заблокированный буфер в качестве интерфейса. Хотя это решение включает в себя дополнительный компонент, который занимает площадь на плате, потребляет электроэнергию и увеличивает стоимость, оно может значительно улучшить отношение сигнал-шум преобразователя.

ТИП	ТИПИЧНЫЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОГЛОЩЕНИЕ	ПРЕИМУЩЕСТВА	НЕДОСТАТКИ
НПО керамика	<0.1%	Маленький размер Недорого Хорошая стабильность Широкий диапазон значений Многие производители Низкая индуктивность	DA обычно низкий, но не может быть указан Ограничено небольшими значениями (10 нФ)
Полистирол	0,001% до 0,02%	Недорого Доступен низкий DA Широкий диапазон значений Хорошая стабильность	Повреждено температурой> + 85 ° C Большой размер корпуса Высокая индуктивность
Полипропилен	0.001% до 0,02%	Недорого Доступен низкий DA Широкий диапазон значений	Повреждено температурой> + 105 ° C Большой размер корпуса Высокая индуктивность
тефлон	0,003% до 0,02%	Доступен низкий DA Хорошая стабильность Эксплуатация при температуре выше + 125 ° C Широкий диапазон значений	Относительно дорого Большой размер Высокая индуктивность
МОП	0.01%	Good DA Small Эксплуатация при температуре выше + 125 ° C Низкая индуктивность	Ограниченное количество Доступно только с малыми значениями емкости
Поликарбонат	0,1%	Хорошая стабильность Низкая стоимость Широкий температурный диапазон	Большой размер DA ограничивает 8-битные приложения Высокая индуктивность
Полиэстер	0.3% до 0,5%	Средняя стабильность Низкая стоимость Широкий температурный диапазон Низкая индуктивность (многослойная пленка)	Большой размер DA ограничивает 8-битные приложения Высокая индуктивность
Монолитная керамика (High K)	> 0,2%	Низкая индуктивность Широкий диапазон значений	Плохая стабильность Плохая DA Высокий коэффициент напряжения
Слюда	> 0.003%	Низкие потери на ВЧ Низкая индуктивность Очень стабильная Доступны значения 1% или лучше	Довольно большой Низкие значения (<10 нФ) Дорого
Алюминий электролитический	Высокая	Большие значения Высокие токи Высокие напряжения Малые размеры	Высокая утечка Обычно поляризация Низкая стабильность Низкая точность Индуктивная
Тантал электролитический	Высокая	Малый размер Большие значения Средняя индуктивность	Довольно высокая утечка Обычно поляризованный Дорого Плохая стабильность Низкая точность

Конденсаторы для критических и некритических медицинских приложений – Блог о пассивных компонентах

Источник: Capacitor Faks

Конденсаторы являются важными компонентами в широком спектре электронных систем, включая смартфоны, бытовые электроприборы, электромобили и медицинские устройства, и это лишь некоторые из них.Конденсаторы для использования в медицинских устройствах жизнеобеспечения и не для жизнеобеспечения должны иметь высокую надежность, и они проходят строгие проверки. Более того, в отличие от конденсаторов, используемых в бытовой электронике, эти компоненты имеют особые критерии оценки и требования к сроку службы.

Пассивные компоненты находят широкое применение как в имплантируемых, так и в неимплантируемых медицинских устройствах. Хотя все медицинские приложения требуют компактных и высоконадежных конденсаторов, имплантируемые медицинские устройства предъявляют самые строгие требования к рабочим характеристикам.

Конденсаторы для использования в имплантируемых медицинских устройствах

В современных лечебных процедурах используется широкий спектр имплантируемых медицинских устройств. Эти устройства включают в себя искусственную улитку, кардиовертеры, дефибрилляторы, инсулиновые помпы, желудочные стимуляторы, нейростимуляторы и кардиостимуляторы. Поскольку имплантируемые медицинские устройства встраиваются в тело пациента, необходимо убедиться, что они оказывают незначительное побочное действие на человека.

Конденсаторы для использования в имплантируемых медицинских устройствах должны обладать высокой надежностью, большой емкостью и небольшими размерами.По сравнению с конденсаторами, используемыми в портативных и носимых медицинских устройствах, эти компоненты проходят более строгий процесс проверки. Они также специально разработаны для обеспечения более длительного срока службы. Кроме того, к конденсаторам, используемым в медицинских устройствах для жизнеобеспечения, предъявляются более строгие требования по контролю за заменой.

Твердотельные танталовые конденсаторы широко используются в электронных схемах как для устройств жизнеобеспечения, так и устройств, не поддерживающих жизнь. Популярность этих конденсаторов в основном обусловлена ​​их впечатляющей способностью к самовосстановлению и присущей надежностью.Кроме того, благодаря высокой объемной эффективности этих конденсаторов, можно изготавливать компоненты с высокими значениями емкости в небольших корпусах. Кроме того, в отличие от большинства типов конденсаторов, твердотельные танталовые конденсаторы не имеют известного механизма износа.

Помимо танталовых конденсаторов, многослойные керамические (MLC) конденсаторы также широко используются в имплантируемых медицинских устройствах. Конденсаторы MLC, предназначенные для критических медицинских применений, обычно имеют компактные размеры, высокую надежность и большую емкость.Использование компактных компонентов позволяет создавать имплантируемые устройства высокой плотности с незначительным или незначительным воздействием на тело пациента.

Конденсаторы для использования в неимплантируемых медицинских устройствах

Конденсаторы этого класса состоят из компонентов, предназначенных для некритических медицинских применений. Эти конденсаторы используются в различных устройствах, включая диагностическое оборудование для визуализации, такое как рентгеновские аппараты, сканеры компьютерной томографии и магнитно-резонансной томографии. Конденсаторы, предназначенные для использования в портативных и носимых устройствах, таких как электрокардиограммы, ультразвуковые эхо-устройства и анализаторы газов крови, также относятся к этой категории.

По сравнению с конденсаторами для имплантируемых медицинских устройств, компоненты, используемые в некритических медицинских приложениях, имеют менее строгие требования к надежности. Однако, в отличие от конденсаторов коммерческого класса, компоненты для использования в этом классе медицинских приложений должны иметь более высокую надежность и большую емкость. Кроме того, современные некритические медицинские приложения требуют компактных компонентов.

Два типа конденсаторов, которые обычно используются в неимплантируемых медицинских устройствах, – это танталовые и многослойные керамические конденсаторы.Танталовые конденсаторы для использования в неимплантируемых медицинских устройствах имеют низкую утечку. В отличие от стандартных промышленных конденсаторов, эти компоненты обычно проходят специальный процесс проверки для достижения требуемой высокой надежности.

Производство, испытания и проверка конденсаторов медицинского назначения

Большинство электронных компонентов, включая конденсаторы, не защищены от отказов. Большинство отказов вызвано внутренними дефектами, такими как трещины и пустоты, возникающие во время производства.Во многих случаях эти внутренние дефекты вызывают высокий ток утечки. Сначала последствия этих недостатков могут быть незаметными. Сборка продукта, термомеханическое напряжение и использование устройства – вот некоторые из факторов, которые могут ускорить рост этих дефектов.

Производственные дефекты и наличие примесей могут существенно повлиять на характеристики твердотельного танталового конденсатора. Эти дефекты могут привести к параметрической нестабильности утечки, увеличению тока утечки или даже к катастрофическому пробою диэлектрика.Эти дефекты можно предотвратить с помощью строгого контроля материалов и процессов, а также тщательного тестирования.

Когда компонент выходит из строя, он может, например, истощить источник питания медицинского устройства, что приведет к его преждевременному выходу из строя. Чтобы избежать таких отказов, необходимо гарантировать надежность конденсаторов, используемых в медицинских приложениях.

Оценка надежности – важный процесс при производстве компонентов и электронных устройств. Конденсаторы для использования в приложениях, требующих высокой надежности, таких как медицинские и космические электронные устройства, как и другие компоненты для этих приложений, подвергаются тщательным испытаниям и процессам оценки надежности.

Для танталовых конденсаторов постоянный ток утечки (DCL) является одним из наиболее важных электрических параметров, которые необходимо учитывать при оценке надежности компонента. Этот параметр определяет время автономной работы устройства, и его уменьшение помогает повысить общую надежность компонента. Твердотельные танталовые конденсаторы обычно подвергаются испытаниям на утечку при различных температурах.

Современные производители используют различные технологии для производства танталовых конденсаторов с более низким DCL.Некоторые из методов, которые обычно используются для снижения тока утечки, включают использование консервативных конструкций, передовых технологий управления процессом и улучшенных методологий тестирования. Эти технологические достижения помогли производителям производить танталовые конденсаторы с впечатляюще низким DCL, высокой надежностью и более длительным сроком службы.

Метод оценки надежности Weibull обычно используется производителями конденсаторов для оценки надежности танталовых конденсаторов. Для достижения высокой надежности, необходимой для современных медицинских приложений, производители конденсаторов все чаще заменяют этот метод запатентованными методиками оценки надежности.

Этапы и процедура, используемые при производстве и проверке многослойных керамических конденсаторов для использования в медицинских целях, значительно отличаются от методологии, используемой при производстве компонентов для использования в бытовой электронике. Чтобы гарантировать, что частота отказов этих конденсаторов ниже, они обычно подвергаются строгим испытаниям и проверкам.

В отличие от стандартных конденсаторов коммерческого класса, компоненты для использования в медицинских приложениях требуют строгого контроля изменений.Для медицинских конденсаторов изменения в сырье, конструкции или любых других аспектах требуют одобрения потребителя. Такие изменения также необходимы для соответствия строгим требованиям регулирующих органов, таких как FDA.

Процесс утверждения обычно включает в себя тщательный анализ компонентов и процедуры квалификации. В большинстве случаев производители конденсаторов дополняют этот строгий контроль процесса надежными программами обучения и стандартными операционными процедурами, чтобы обеспечить неизменно высокий уровень надежности.Кроме того, многие производители конденсаторов все чаще применяют системы управления производством (MES), чтобы минимизировать человеческий фактор и предотвратить неправильную последовательность операций.

Статистический контроль процессов обычно используется производителями компонентов медицинского назначения для управления ключевыми производственными процессами. Танталовые конденсаторы для использования в имплантируемых медицинских устройствах для жизнеобеспечения обычно подвергаются строжайшему статистическому контролю. Процедуры статистической проверки менее распространены при производстве стандартных танталовых конденсаторов товарного качества.

Производители конденсаторов используют различные электрические тесты для оценки характеристик компонентов. Некоторые из наиболее распространенных электрических испытаний включают автоматизированные высокоскоростные параметрические испытания и температурный коэффициент емкости. Для оценки надежности используются другие распространенные методы, включая испытание на термический цикл воздух-воздух, испытание с ускоренным сроком службы и испытание на пробой напряжения (VBD). Кроме того, большинство производителей конденсаторов используют анализ поперечного сечения для проверки отсутствия конструктивных аномалий в компонентах.

Заключение

Конденсаторы являются важными компонентами как имплантируемых, так и неимплантируемых медицинских устройств. Танталовые конденсаторы и многослойные керамические конденсаторы – самые популярные типы конденсаторов для медицинского применения. Эти приложения требуют компактных компонентов, обеспечивающих высокую надежность и большую емкость. Чтобы удовлетворить строгие требования к производительности, предъявляемые к сегодняшним высоконадежным приложениям, производители конденсаторов используют улучшенные производственные технологии, передовые методики испытаний и улучшенный контроль процессов.Другие области применения, где требуются конденсаторы высокой надежности, включают военные и космические электронные системы.

рекомендуемый источник изображения: AVX

.