Принцип работы плоского конденсатора: Принцип работы конденсатора

Плоский конденсатор. Заряд и емкость конденсатора.

Наряду с резисторами одними из наиболее часто используемых электронных компонентов являются конденсаторы. И в этой статье мы разберемся, из чего они состоят, как работают и для чего применяются! Давайте, в  первую очередь, рассмотрим устройство и принцип работы конденсаторов. А затем плавно перейдем к основным свойствам и характеристикам – заряду, энергии и, конечно же, емкости конденсатора. Как видите, нам сегодня предстоит изучить много интересных моментов 🙂

Плоский конденсатор.

Итак, простейший конденсатор представляет из себя две плоские проводящие пластины, расположенные параллельно друг другу и разделенные слоем диэлектрика. Причем расстояние между пластинами должно быть намного меньше, чем, собственно, размеры пластин:

Такое устройство называется плоским конденсатором, а пластины – обкладками конденсатора. Стоит уточнить, что здесь мы рассматриваем уже заряженный конденсатор (сам процесс зарядки мы изучим чуть позже), то есть на обкладках сосредоточен определенный заряд.

Причем наибольший интерес представляет тот случай, когда заряды пластин конденсатора одинаковы по модулю и противоположны по знаку (как на рисунке).

А поскольку на обкладках сосредоточен заряд, между ними возникает электрическое поле. Поле плоского конденсатора, в основном, сосредоточено между пластинами, однако, в окружающем пространстве также возникает электрическое поле, которое называют полем рассеяния. Очень часто его влиянием в задачах пренебрегают, но забывать о нем не стоит.

Для определения величины этого поля рассмотрим еще одно схематическое изображение плоского конденсатора:

Каждая из обкладок конденсатора в отдельности создает электрическое поле:

• положительно заряженная пластина (+q) создает поле, напряженность которого равна E_{+}
• отрицательно заряженная пластина (-q) создает поле, напряженность которого равна E_{-}

Выражение для напряженности поля равномерно заряженной пластины выглядит следующим образом:

E = \frac{\sigma}{2\varepsilon_0\thinspace\varepsilon}

Здесь \sigma– это поверхностная плотность заряда: \sigma = \frac{q}{S}, а \varepsilon – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, расположенного между обкладками конденсатора. Поскольку площадь пластин конденсатора у нас одинаковая, как и величина заряда, то и модули напряженности электрического поля, равны между собой:

E_+ = E_- = \frac{q}{2\varepsilon_0\thinspace\varepsilon S}

Но направления векторов разные – внутри конденсатора вектора направлены в одну сторону, а вне – в противоположные. Таким образом, внутри обкладок результирующее поле определяется следующим образом:

E = E_+ + E_- = \frac{q}{2\varepsilon_0\thinspace\varepsilon S} + \frac{q}{2\varepsilon_0\thinspace\varepsilon S} = \frac{q}{\varepsilon_0\thinspace\varepsilon S}

А какая же будет величина напряженности вне конденсатора? А все просто – слева и справа от обкладок поля пластин компенсируют друг друга и результирующая напряженность равна 0 🙂

Процессы зарядки и разрядки конденсаторов.

С устройством мы разобрались, теперь разберемся, что произойдет, если подключить к конденсатору источник постоянного тока. На принципиальных электрических схемах конденсатор обозначают следующим образом:

Итак, мы подключили обкладки конденсатора к полюсам источника постоянного тока. Что же будет происходить?

Свободные электроны с первой обкладки конденсатора устремятся к положительному полюсу источника. Из-за этого на обкладке возникнет недостаток отрицательно заряженных частиц, и она станет положительно заряженной. В то же время электроны с отрицательного полюса источника тока переместятся ко второй обкладке конденсатора. В результате чего на ней возникнет избыток электронов, соответственно, обкладка станет отрицательно заряженной. Таким образом, на обкладках конденсатора образуются заряды разного знака (как раз этот случай мы и рассматривали в первой части статьи), что приводит к появлению электрического поля, которое создаст между пластинами конденсатора определенную разность потенциалов. Процесс зарядки будет продолжаться до тех пор, пока эта разность потенциалов не станет равна напряжению источника тока. После этого процесс зарядки закончится, и перемещение электронов по цепи прекратится.

При отключении от источника конденсатор может на протяжении длительного времени сохранять накопленные заряды. Соответственно, заряженный конденсатор является источником электрической энергии, это означает, что он может отдавать энергию во внешнюю цепь. Давайте создадим простейшую цепь, просто соединив обкладки конденсатора друг с другом:

В данном случае по цепи начнет протекать ток разряда конденсатора, а электроны начнут перемещаться с отрицательно заряженной обкладки к положительной. В результате напряжение на конденсаторе (разность потенциалов между обкладками) начнет уменьшаться. Этот процесс завершится в тот момент, когда заряды пластин конденсаторов станут равны друг другу, соответственно электрическое поле между обкладками пропадет и по цепи перестанет протекать ток. Вот так и происходит разряд конденсатора, в результате которого он отдает во внешнюю цепь всю накопленную энергию.

Как видите, здесь нет ничего сложного 🙂

Емкость и энергия конденсатора.

Важнейшей характеристикой является электрическая емкость конденсатора. Это физическая величина, которая определяется как отношение заряда конденсатора q одного из проводников к разности потенциалов между проводниками:

C = \frac{q}{\Delta\varphi} = \frac{q}{U}

Емкость конденсатора изменяется в Фарадах, но величина 1 Ф является довольно большой, поэтому чаще всего емкость измерятся в микрофарадах (мкФ), нанофарадах (нФ) и пикофарадах (пФ). 2}{2C}

Помимо емкости конденсаторы характеризуются еще одним параметром, а именно величиной напряжения, которое может выдержать его диэлектрик. При слишком больших значениях напряжения электроны диэлектрика отрываются от атомов, и диэлектрик начинает проводить ток. Это явление называется пробоем конденсатора, и в результате обкладки оказываются замкнутыми друг с другом. Собственно, характеристикой, которая часто используется при работе с конденсаторами является не напряжение пробоя, а рабочее напряжение. Это такая величина напряжения, при которой конденсатор может работать неограниченно долгое время, и пробоя не произойдет.

Итак, мы сегодня рассмотрели основные свойства конденсаторов, их устройство и характеристики! Так что на этом заканчиваем статью, а в следующей мы будем обсуждать различные варианты соединений и маркировку. Не пропустите!

§52. Конденсаторы, их назначение и устройство

Заряд и разряд конденсатора.

Конденсатор представляет собой устройство, способное накапливать электрические заряды. Простейшим конденсатором являются две металлические пластины (электроды), разделенные каким-либо диэлектриком. Конденсатор 2 можно зарядить, если соединить его электроды с источником 1 электрической энергии постоянного тока (рис. 181, а).

Рис. 181. Заряд и разряд конденсатора

При заряде конденсатора свободные электроны, имеющиеся на одном из его электродов, устремляются к положительному полюсу источника, вследствие чего этот электрод становится положительно заряженным. Электроны с отрицательного полюса источника устремляются ко второму электроду и создают на нем избыток электронов, поэтому он становится отрицательно заряженным.

В результате протекания зарядного тока i3 на обоих электродах конденсатора образуются равные, но противоположные по знаку заряды и между ними возникает электрическое поле, создающее между электродами конденсатора определенную разность потенциалов. Когда эта разность потенциалов станет равной напряжению источника тока, движение электронов в цепи конденсатора, т. е. прохождение по ней тока i3 прекращается. Этот момент соответствует окончанию процесса заряда конденсатора.

При отключении от источника (рис. 181,б) конденсатор способен длительное время сохранять накопленные электрические заряды. Заряженный конденсатор является источником электрической энергии, имеющим некоторую э. д. с. ес. Если соединить электроды заряженного конденсатора каким-либо проводником (рис. 181, в), то конденсатор начнет разряжаться.

При этом по цепи пойдет ток iр разряда конденсатора. Начнет уменьшаться и разность потенциалов между электродами, т. е. конденсатор будет отдавать накопленную электрическую энергию во внешнюю цепь.

В тот момент, когда количество свободных электронов на каждом электроде конденсатора станет одинаковым, электрическое поле между электродами исчезнет и ток станет равным нулю. Это означает, что произошел полный разряд конденсатора, т. е. он отдал накопленную им электрическую энергию.

Емкость конденсатора.

Свойство конденсатора накапливать и удерживать электрические заряды характеризуется его емкостью.

Чем больше емкость конденсатора, тем больше накопленный им заряд, так же как с увеличением вместимости сосуда или газового баллона увеличивается объем жидкости или газа в нем.

Емкость С конденсатора определяется как отношение заряда q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов между его электродами (приложенному напряжению)U:

C = q / U (69)

Емкость конденсатора измеряется в фарадах (Ф). Емкостью в 1 Ф обладает конденсатор, у которого при сообщении заряда в 1 Кл разность потенциалов возрастает на 1 В. В практике преимущественно пользуются более мелкими единицами: микрофарадой (1 мкФ=10^-6 Ф), пикофарадой (1 пФ = 10^-12 мкФ).

Емкость конденсатора зависит от формы и размеров его электродов, их взаимного расположения и свойств диэлектрика, разделяющего электроды. Различают плоские конденсаторы, электродами которых служат плоские параллельные пластины (рис. 182, а), и цилиндрические (рис. 182,б).

Рис. 182. Плоский (а) и цилиндрический (б) конденсаторы

Свойствами конденсатора обладают не только специально изготовленные на заводе устройства, но и любые два проводника, разделенные диэлектриком. Емкость их оказывает существенное влияние на работу электротехнических установок при переменном токе.

Например, конденсаторами с определенной емкостью являются два электрических провода, провод и земля (рис. 183, а), жилы электрического кабеля, жилы и металлическая оболочка кабеля (рис. 183,6).

Рис. 183. Емкости, образованные проводами воздушной линии (а) и жилами кабеля (б)

Устройство конденсаторов и их применение в технике.

В зависимости от применяемого диэлектрика конденсаторы бывают бумажными, слюдяными, воздушными (рис. 184).

Рис. 184. Общие виды применяемых конденсаторов: 1 — слюдяные; 2 — бумажные; 3 — электролитический; 4 — керамический

Используя в качестве диэлектрика вместо воздуха слюду, бумагу, керамику и другие материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, удается при тех же размерах конденсатора увеличить в несколько раз его емкость. Для того чтобы увеличить площади электродов конденсатора, его делают обычно многослойным.

В электротехнических установках переменного тока обычно применяют силовые конденсаторы. В них электродами служат длинные полосы из алюминиевой, свинцовой или медной фольги, разделенные несколькими слоями специальной (конденсаторной) бумаги, пропитанной нефтяными маслами или синтетическими пропитывающими жидкостями.

Ленты фольги 2 и бумаги 1 сматывают в рулоны (рис. 185), сушат, пропитывают парафином и помещают в виде одной или нескольких секций в металлический или картонный корпус. Необходимое рабочее напряжение конденсатора обеспечивается последовательным, параллельным или последовательно-параллельным соединениями отдельных секций.

Рис. 185. Устройство бумажного (а) и электролитического (б) конденсаторов

Всякий конденсатор характеризуется не только значением емкости, но и значением напряжения, которое выдерживает его диэлектрик. При слишком больших напряжениях электроны диэлектрика отрываются от атомов, диэлектрик начинает проводить ток и металлические электроды конденсатора замыкаются накоротко (конденсатор пробивается).

Напряжение, при котором это происходит, называют пробивным. Напряжение, при котором конденсатор может надежно работать неограниченно долгое время, называют рабочим. Оно в несколько раз меньше пробивного.

Конденсаторы широко применяют в системах энергоснабжения промышленных предприятий и электрифицированных железных дорог для улучшения использования электрической энергии при переменном токе.

На э. п. с. и тепловозах конденсаторы используют для сглаживания пульсирующего тока, получаемого от выпрямителей и импульсных прерывателей, борьбы с искрением контактов электрических аппаратов и с радиопомехами, в системах управления полупроводниковыми преобразователями, а также для создания симметричного трехфазного напряжения, требуемого для питания электродвигателей вспомогательных машин.

В радиотехнике конденсаторы служат для создания высокочастотных электромагнитных колебаний, разделения электрических цепей постоянного и переменного тока и др.

В цепях постоянного тока часто устанавливают электролитические конденсаторы. Их изготовляют из двух скатанных в рулон тонких алюминиевых лент 3 и 5 (рис. 185,б), между которыми проложена бумага 4, пропитанная специальным электролитом (раствор борной кислоты с аммиаком в глицерине).

Алюминиевую ленту 3 покрывают тонкой пленкой окиси алюминия; эта пленка образует диэлектрик, обладающий высокой диэлектрической проницаемостью. Электродами конденсатора служат лента 3, покрытая окисной пленкой, и электролит; вторая лента 5 предназначена лишь для создания электрического контакта с электролитом. Конденсатор помещают в цилиндрический алюминиевый корпус.

При включении электролитического конденсатора в цепь постоянного тока необходимо строго соблюдать полярность его полюсов; электрод, покрытый окисной пленкой, должен быть соединен с положительным полюсом источника тока. При неправильном включении диэлектрик пробивается.

По этой причине электролитические конденсаторы нельзя включать в цепи переменного тока. Их нельзя также использовать в устройствах, работающих при высоких напряжениях, так как окисная пленка имеет сравнительно небольшую электрическую прочность.

В радиотехнических устройствах применяют также конденсаторы переменной емкости (рис. 186).

Рис. 186. Устройство конденсатора переменной емкости

Такой конденсатор состоит из двух групп пластин: неподвижных 2 и подвижных 3, разделенных воздушными промежутками. Подвижные пластины могут перемещаться относительно неподвижных; при повороте оси 1 конденсатора изменяется площадь взаимного перекрытия пластин, а следовательно, и емкость конденсатора.

Способы соединения конденсаторов.

Конденсаторы можно соединять последовательно и параллельно. При последовательном соединении нескольких (например, трех), конденсаторов (рис. 187, а) эквивалентная емкость

1 /C_эк = 1 /C₁ + 1 /C₂ + 1 /C₃

эквивалентное емкостное сопротивление

X_Cэк= X_C1 + X_C2 + X_C3

результирующее емкостное сопротивление

C_эк = C₁ + C₂ + C₃

При параллельном соединении конденсаторов (рис. 187,б) их результирующая емкость

1 /X_Cэк = 1 /X_C1 + 1 /X_C2 + 1 /X_C3

Рис. 187. Последовательное (а) и параллельное (б) соединения конденсаторов

Включение и отключение цепей постоянного тока с конденсатором.

При подключении цепи R-C к источнику постоянного тока и при разряде конденсатора на резистор также возникает переходный процесс с апериодическим изменением тока i и напряжения u_c.

При подключении к источнику постоянного тока цепи R-C выключателем В1 (рис. 188,а) происходит заряд конденсатора. В начальный момент зарядный ток I_нач=U /R. Но по мере накопления зарядов на электродах конденсатора напряжение его и с будет возрастать, а ток уменьшаться (рис. 188,б).

Рис. 188. Схема подключения цепи R-C к источнику постоянного тока (а) и кпивые тока и напряжения при переходном процессе (б) кривые

Если сопротивление R мало, то в начальный момент подключения конденсатора возникает большой екачок тока, значительно превышающий номинальный ток данной цепи. При разряде конденсатора на резистор R (размыкается выключатель В1 на рис. 189, а) напряжение на конденсаторе u_с и ток i постепенно уменьшаются до нуля (рис. 189,б).

Рис. 189. Схема разряда емкости С на резистор R (а) и кривые тока и напряжения при переходном процессе (б)

Скорость изменения тока i и напряжения ис при переходном процессе отделяется постоянной времени

T = RC

Чем больше R и С, тем медленнее происходит заряд конденсатора.

Процессы заряда и разряда конденсатора широко используют в электронике и автоматике. С помощью их получают периодаческие несинусоидальные колебания, называемые релаксационными, и, в частности, пилообразное напряжение, необходимое для работы систем управления тиристорами, осциллографов и других устройств.

Для получения пилообразного напряжения (рис. 190) периодически подключают конденсатор к источнику питания, а затем к разрядному резистору.

Рис. 190. Кривая пилообразного напряжения

Периоды Т₁ и T₂, соответствующие заряду и разряду конденсатора, определяются постоянными времени цепей заряда Т₃ и разряда Т_р, т. е. сопротивлениями резисторов, включенных в эти цепи.

Конденсаторы: назначение, устройство, принцип действия

Конденсаторы, наряду с резисторами, являются одними из самых распространенных элементов в радиотехнических и электронных устройствах. Практически не существует устройств, в которых бы не применялись конденсаторы. Прежде всего, конденсаторы используются в качестве фильтров в выпрямителях и стабилизаторах напряжения (любой блок питания содержит в себе конденсаторы). Конденсаторы позволяют создавать временные интервалы необходимой выдержки и частоты в аналоговых схемах различных генераторов.

Первый прототип современного конденсатора появился в середине 18 века в Нидерландах. Питер ван Мушенбрук в своих опытах использовал стеклянную банку, выложенную внутри и снаружи оловянной фольгой (алюминий в те времена не использовался), заряд которой осуществлялся электрофорной машиной (единственный источник получения электрического тока в те времена). Позднее это устройство назовут лейденской банкой.

Рисунок 1

Устройство современного конденсатора аналогично устройству лейденской банки: две обкладки, между которыми находится диэлектрик. Емкость плоского конденсатора (измеряется в Фарадах) зависит от площади пластин (S), расстояния между пластинами (d) и диэлектрической проницаемости среды (ε). Геометрическая форма пластин конденсаторов может быть различной: для металлобумажных конденсаторов пластины выполняются в виде алюминиевой фольги свернутой вместе с диэлектриком в один клубок.

Рисунок 2

Приведенная формула для расчета емкости конденсаторов позволяет сделать вывод о том, что два проводника, расположенных рядом, обладают электрической емкостью. Это свойство проводников широко применяется в высокочастотной технике, при этом конденсаторы делаются в виде дорожек на печатной плате или в виде двух проводников.

Помимо емкости С, любой кабель характеризуется электрическим сопротивлением R. Как известно, RC-цепочка выступает в качестве интегрирующего звена в электронных схемах (рисунок 3). При входном импульсном сигнале на выходе сигнал искажается или, для сигналов незначительной мощности, может просто исчезнуть.

Рисунок 3

Из истории: первая попытка проложить трансатлантическую связь была предпринята в 1857 году. Однако, ученые не учли возможные искажения сигналов, которые могли возникнуть в кабеле, длиной более 4000 км. В результате телеграфный код в виде точек и тире, а по сути те же прямоугольные импульсы, искажались так, что на другом конце разобрать послание не удавалось. Лишь в 1865 году У. Томпсон предложил технологию передачи сигналов на дальние расстояния.

Диэлектрическая проницаемость среды ε и ток утечки

Увеличение диэлектрической проницаемости ε, исходя из формулы для расчета емкости конденсатора, повлечет возрастание емкости конденсатора. В большинстве случаев, в качестве диэлектриков в конденсаторах используются лавсан, полиэтилен или просто воздух. Если заменить эти диэлектрики, например спиртом или ацетоном, у которых диэлектрическая проницаемость существенно больше, то емкость конденсатора возрастет в 15…20 раз. Однако, диэлектрики с большой проницаемостью обладают достаточно высокой проводимостью, которая влияет на время разряда конденсатора через себя. Для описания этого свойства конденсаторов ввели термин тока утечки. Поэтому диэлектрики в конденсаторах характеризуются не только диэлектрической проводимостью, но и током утечки.

Электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы обладают наибольшей удельной емкостью, среди всех типов конденсаторов. Емкость таких элементов может достигать 100 000 мкФ, а рабочее напряжение – до 600 В. Электролитические конденсаторы применяются в низкочастотных схемах и фильтрах блоков питания. Большая емкость электролитических конденсаторов предполагает и существенные размеры таких элементов (рисунок 4).

Рисунок 4

Электролитические конденсаторы могут хранить накопленную энергию несколько лет, однако они достаточно чувствительны к возможным перенапряжениям в цепи. При больших напряжениях или неправильном использовании (включении обычного электролитического конденсатора в цепь переменного тока) конденсаторы нагреваются, а затем просто взрываются. Особенно взрыву подвержены старые советские конденсаторы.

Принцип действия конденсаторов

Основные принципы при работе конденсаторов рассмотрим на примере простой схемы (рисунок 5). В качестве конденсатора лучше использовать электролитический конденсатор большой емкости.

Рисунок 5

Работа схемы: для начала необходимо зарядить конденсатор от источника питания через резистор R (график заряда конденсатора изображен на рисунке 6). Напряжение заряда возрастает по экспоненте, а ток заряда – спадает по экспоненте. Время полного заряда конденсатора определяется произведением емкости самого конденсатора С, величины сопротивления R и постоянной составляющей (для рассматриваемого примера t=5*C*R=5*500*0.002= 5 секунд). Далее переключатель SA переводится во второе положение, что соответствует разряду конденсатора через нагрузку (лампу накаливания). График разряда конденсатора приведен на рисунке 7.

Рисунок 6

Рисунок 7

Рассмотрим еще одну схему включения конденсатора (рисунок 8). При замыкании контакта SA произойдет кратковременная вспышка лампочки EL. Повторное замыкание контакта к вспышке не приведет, так конденсатор уже зарядился.

Рисунок 8

Конденсаторы в блоках питания

Всем электронным устройствам необходимо постоянное напряжения для питания и работы. Любой блок питания состоит из трансформатора, выпрямителя (однополупериодного или длвухполупериодного) и фильтра (рисунок 9).

Рисунок 9

Подбор необходимого конденсатора для указанных схем можно выполнять исходя из следующих соотношений:

– для двухполупериодного выпрямителя

[size=16]

C = Po / 2∙U∙f∙dU

где C – емкость конденсатора Ф, Po – мощность нагрузки Вт, U – напряжение на выходе выпрямителя В, f – частота переменного напряжения Гц, dU – амплитуда пульсаций В.

– для однополупериодного выпрямителя

C = Po / U∙f∙dU

– для трехфазного выпрямителя

C = Po / 3∙U∙f∙dU

Суперконденсатор – ионистор

Ионистор – новый класс электролитических конденсаторов (рисунок 10).

Рисунок 10

Ионисторы, по своим характеристикам сходны с обычными аккумуляторами. Заряд такого устройства происходит за несколько минут, а срок службы может превысить 40 000 часов.

Статьи по теме:
Про резисторы для начинающих заниматься электроникой

Конденсатор

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).

• 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).

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.

Заряд 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

• ΔVc/Δt – Изменение напряжения на конденсаторе за отрезок времени

Разряд конденсатора

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 τ (тау). За один τ конденсатор заряжается или разряжается на 63%. За пять τ 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 — ɛ

Площадь пластин

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 ɛ. 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.

Принцип работы конденсатора – Электротехника

Часто в радиоэлектронике возникает необходимость изменения скорости поступления электрического заряда в цепь. В фотовспышке нужно быстро, импульсно подавать напряжение на светоизлучающий элемент, так, чтобы лампа или светодиод загорались и тут же гасли. В приборах сберегательного назначения, например призванных гасить лампу не сразу, а постепенно, напряжение необходимо понижать плавно. Указанным целям, а также ряду других, служат конденсаторы. Они представляют собой электрорадиоэлементы, которые могут накапливать заряд и энергию электрического поля с последующей отдачей накопленного. Такое действие обеспечивается особой конструкцией устройства: наличием пластин-проводников (обкладок), между которыми расположен слой диэлектрика.
 

Принцип работы конденсатора в цепях постоянного и переменного тока разный. Когда к конденсатору подключается источник постоянного тока, заряд питающего элемента переходит на обкладки электрорадиоэлемента и накапливается на них, увеличивая напряжение. Разница между напряжением на источнике тока и конденсаторе постепенно сокращается, а с полным исчезновением останавливается процесс зарядки радиоэлемента и разрывается электрическая цепь.

В сети переменного напряжения конденсатор работает как сопротивление. Это происходит за счёт образования в нём токов, противоположно направленных тем, что поступают от источника переменного тока. Величина сопротивления обратно пропорциональна частоте тока: чем выше частота, тем ниже сопротивление и, наоборот, сопротивлением тем выше, чем частота тока ниже.

Характеристики конденсаторов

Конденсаторы характеризуются множеством характеристик, среди которых основными можно назвать следующие:

• Ёмкость. Отражает возможность накопления конденсатором электрического заряда, измеряется в фарадах. Для сборки большинства устройств изготавливают конденсаторы с ёмкостью от одного пикофарада до нескольких тысяч микрофарад. Электрорадиоэлементы с ёмкостью больше фарада изготавливаются реже, но в последнее время их начали часто использовать как альтернативу аккумуляторам. Одним фарадом характеризуется конденсатор, в котором заряд в один кулон создаёт напряжение на обкладках, равное одному вольту.
• Полярность. Определяет расположение ёмкостной радиодетали в цепи постоянного тока. Электролитические конденсаторы требует корректное включение в цепь: необходимо строго соблюдать полярность конденсатора и поступающего на него тока, иначе произойдёт разрушение диэлетрика, снизится сопротивление, увеличится напряжение, в результате чего электролит вскипит, а это грозит взрывом конденсатора.
• Сопротивление. Эквивалентное последовательное сопротивление ёмкостного радиоэлемента отражает возможное рассеивание мощности при протекании токов высокой частоты. Сопротивление диэлектрика определяет возможность саморазряда конденсатора. Сопротивление конденсатора обоих видов является паразитным параметром, т. е. таким, чьё присутствие нежелательно.

Виды конденсаторов

Классификация ёмкостных радиоэлементов может производиться по разным основаниям. В приборостроении большое значение имеет материал изготовления диэлектрика. Для той или иной цели изготавливают вакуумные устройства, с керамическим, бумажным, стеклянным изолятором и другие.

Развитие технологий позволило сделать доступным производство конденсаторов, чья ёмкость может меняться. В этой связи выделяют:

• Конденсатор постоянной ёмкости, чья способность накапливать заряд неизменна.
• Конденсатор переменной ёмкости, имеющий возможность изменения способности накапливать заряд.
• Конденсатор подстроечный, имеющий возможность изменения способности накапливать заряд. От предыдущего типа отличается однократностью изменения (в процессе сборки прибора).

Конденсаторы широко используются в приборостроении. Их применение позволяет регулировать поступление тока в цепь, что даёт возможность реализации множества технологически решений.

Плоский воздушный конденсатор. Емкость и пластины конденсатора

Две плоские пластины, находящиеся параллельно между собой, с диэлектриком внутри, образуют плоский конденсатор. Это наиболее простая модель конденсатора, накапливающая энергию разноименного заряда. Если на пластины подать заряд, одинаковый по размеру, но различающийся по модулю, то поле, а точнее его напряженность между проводниками повысится в два раза. Отношение размера заряда одного проводника к разности потенциалов между пластинами – это электроемкость.

Применение

Во всех электронных и радиотехнических устройствах, кроме микросхем и транзисторов используются конденсаторы. В разных схемах конденсаторов присутствует разное количество. Нет таких схем, где бы они не использовались. Они выполняют различные задачи: являются емкостями в фильтрах, служат передающим элементом для сигнала каскадов усиления, входят в состав частотных фильтров, для выдержки временного диапазона, для подбора частоты колебаний в генерирующих устройствах.

Конструкция и принцип действия

Устройство конденсатора заключается в двух обкладках с диэлектриком между ними. На всех схемах они так и отображаются.

S – площадь поверхности обкладок в м², d – расстояние от обкладок, м, С – емкость, Ф, е – проницаемость диэлектрика. Все показатели выражены в системе СИ. Формула подходит плоскому конденсатору, помещают две пластины из металла с выводами, диэлектрик не нужен, так как им будет являться воздух.

Это показывает: емкость плоского конденсатора прямо зависит от площади пластин, и имеет обратную зависимость расстояния от пластин. Если геометрическая форма конденсатора иная, то формула емкости будет отличаться. Для вычисления кабеля. Но смысл зависимости остается таким же.

Пластины конденсаторов бывают и другой формы. Существуют металлобумажные конденсаторы с обкладками из алюминиевой фольги, которая свернута вместе с бумагой в клубок по форме корпуса.

Для повышения электрической прочности бумага конденсатора пропитывается специальным составом для изоляции, в основном это масло для трансформатора. Такое устройство дает возможность повысить емкость в разы. По такому же принципу сделаны конденсаторы других конструкций.

В формуле нет ограничений на размер пластин S и расстояние d. Если пластины отодвинуть далеко, и уменьшить их площадь, то малая емкость останется. Два соседних провода имеют электрическую емкость.

В технике высокой частоты такое свойство широко применяется. Конструкцию конденсаторов выполняют дорожками на печатном монтаже или скручивают два провода в полиэтилене. Простой провод, который называют «лапшой», имеет свою емкость. Чем длиннее провод, тем больше емкость.

Все кабели еще имеют сопротивление R, кроме емкости С. Свойства распределяются по длине кабеля, во время сигналов в виде импульсов являются цепочкой интеграции RС.

Импульс искажается специально. Для этого собрана схема. Емкость кабеля влияет на сигнал. На выходе появится измененный сигнал – «колокол», при коротком импульсе сигнал совсем пропадает.

Свойства материалов-диэлектриков

В формуле значение проницаемости диэлектрика находится в знаменателе, увеличение ведет к повышению емкости. Для воздуха, лавсана, фторопласта величина не отличается от вакуумного состояния. Существуют вещества-диэлектрики, у которых проницаемость больше. Конденсатор, залитый спиртом, повышает свою емкость в 20 раз.

Такие вещества кроме проницаемости имеют хорошую проводимость. Конденсатор с таким веществом держит заряд хуже, разряжается быстрее. Это свойство назвали током утечки. В качестве диэлектриков применяют материалы, позволяющие создавать нормальные токи утечки при большой удельной емкости. Поэтому существует много видов конденсаторов для различных условий применения.

Накопление энергии в конденсаторе

На схеме показан конденсатор с большой емкостью для медленного течения разряда. Можно взять лампочку от фонарика и проверить работу схемы. Такую лампочку можно найти в любом магазине электротоваров. Когда переключатель SA находится во включенном состоянии, то конденсатор получает заряд от батареи через резистор. Процесс изображен на рисунке.

Напряжение повышается по кривой-экспоненте. Ток отражается на графике в зеркальном виде, и имеет обратную зависимость от напряжения. Только в самом начале он подходит для приведенной формулы.

Через определенное время конденсатор получит заряд от источника до значения 4,5 вольт. Как можно вычислить время заряда конденсатора?

В формуле τ = R*C величины умножаются, итог получается в секундах. Это количество времени  нужно для заряда уровня 36,8% от источника. Чтобы зарядить конденсатор полностью, нужно время = 5*т.

Если в формулу ставить емкость в мкФ, сопротивление в Ом, то время будет в микросекундах. Для нас удобнее секунды. На схеме емкость 2000 мкФ, сопротивление 500 Ом, время получается т = R * C = 500 * 2000 = 1000000 микросекунд. Это равнозначно одной секунде. В итоге, чтобы конденсатор получил полный заряд, необходимо время 5 секунд.

После этого времени переключатель переводим вправо, конденсатор разряжается по лампочке. Будет видна вспышка разряда конденсатора. Время, необходимое для разряда вычисляется величиной «т».

По схеме можно убедиться в вышеописанном утверждении.

При замыкании переключателя лампа вспыхивает — конденсатор получил заряд по лампочке. На графике видно, что в момент включения значение тока наибольшее, с течением заряда ток снижается до полного прекращения. При качественном конденсаторе и небольшой степенью саморазряда включение не выдаст вспышку лампы. Чтобы лампа снова вспыхнула, нужно разрядить конденсатор.

Любой проводник создает вокруг себя электрическое поле. Электрическое поле можно описать с помощью такой величины, как электрический потенциал. В каждой точке пространства потенциал имеет какое-то значение. Потенциал на бесконечном расстоянии равен нулю. Приближаемся мысленно от бесконечности к проводнику. Чтобы пробиться к проводнику, необходимо совершить работу. Эта работа идет на увеличение потенциальной энергии пробного заряда.

Максимальное значение потенциальная энергия достигнет тогда, когда мы вплотную подойдем к проводнику. После проникновения внутрь проводника, потенциальная энергия перестает меняться. Если мы разделим потенциальную энергию на величину пробного заряда, то получим электрический потенциал.

Потенциал проводника зависит от заряда. Если мы удвоим заряд проводника, то потенциал так же удвоится. Потенциал проводника прямо пропорционален заряду, который несет на себе этот проводник. Отношение заряда проводника к потенциалу является характеристикой проводника, называется электрической емкостью.

Чтобы понять это определение электроемкости, представим себе высоту жидкости в сосуде, имеющим широкое дно. Высота жидкости будет мала, то есть, потенциал мал. Если сосуд узкий и высокий, то такое же количество жидкости приведет к тому, что уровень жидкости будет высоким.

Применение емкостей в фильтрах

В фильтрах емкость устанавливается в конце выпрямителя, который сделан двухполупериодным.

Такие выпрямители применяются с малой мощностью. Достоинством выпрямителей с одним полупериодом является его простота. Он состоит из трансформатора и диода. Емкость конденсатора рассчитывается по формуле:

C=1000000*Po/2 * U * f * dU, где С – емкость в мкФ, Po – мощность, ватт, U — напряжение, вольт, f – частота, герц, dU амплитуда, В.

В числителе находится большое значение, это определяет емкость в мкФ. В знаменателе число 2 – это количество полупериодов, для однополупериодного – это 1.

Классификация

По материалу диэлектрика:

• Воздушные. Их емкость невелика, редко превышает 1000 пФ.
• Слюдяные. В нем диэлектриком служит слюда. Слюда – это минерал, кристаллическое вещество, у которого очень интересная кристаллическая структура. Атомы расположены слоями, расстояние между которыми гораздо больше, чем расстояние между атомами в одном слое. Поэтому, слюда при попытке расколоть кристалл слюды колется на очень тонкие пластинки. У них большая диэлектрическая проницаемость. Толщина пластинок получается очень маленькой. Эти пластинки хорошо работают в быстропеременных электрических полях, обладают хорошей электрической плотностью. Поэтому слюдяные конденсаторы получили широкое распространение.
• Бумажные. Диэлектриком служит бумага, пропитанная парафином. Это хороший диэлектрик, но в быстро меняющихся полях ведет себя не очень хорошо, поляризуется медленно. Используются ограниченно.
• Керамические. Люди научились делать различные сорта керамики. Есть диэлектрики с проницаемостью более 1000, они сделаны из керамики. Можно получить большую емкость. Керамика хорошо работает на высоких частотах в быстропеременных электрических полях.
• Электролитические. Они имеют самую большую емкость при заданных размерах.

Слюдяные конденсаторы

Пластинка слюды, две пластинки-электрода с прикрепленными выводами. Если вы хотите, чтобы емкость конденсатора была больше, то можно поступить следующим образом. Взять несколько пластинок слюды в качестве диэлектрика, между пластинами поместить много обкладок. Получается конденсатор, который состоит из нескольких конденсаторов, соединенных вместе, параллельно.

Воздушные конденсаторы могут быть с переменной емкостью. Они состоят из двух систем пластин.

Подвижные пластины вращающиеся, это ротор. Неподвижные – это статор. Промежутки между подвижными и неподвижными пластинами – это слой диэлектрика из воздуха. Если подвижные пластины выдвинуты из неподвижных, то эта емкость будет минимальная. Площадь перекрытия маленькая. Если пластины задвинуты, то площадь максимальная. Это воздушный конденсатор.

Существуют и керамические переменные конденсаторы. Они используются для перемены емкости в небольших пределах.

Диэлектриком служит керамика. Обкладка представляет собой покрытие из слоя серебра. Сбоку указана емкость в пФ. Отверткой вращают винт, меняется площадь перекрытия пластин. Это подстроечный керамический конденсатор.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Похожее

Уравнение заряда конденсатора. Принцип работы конденсатора. формулу силы притяжения можно записать как

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.

Содержание:

Одним из важных элементов электрической цепи является конденсатор, формулы для которого позволяют рассчитать и подобрать наиболее подходящий вариант. Основная функция данного устройства заключается в накоплении определенного количества электроэнергии. Простейшая система включает в себя два электрода или обкладки, разделенные между собой диэлектриком.

В чем измеряется емкость конденсатора

Одной из важнейших характеристик конденсатора является его емкость. Данный параметр определяется количеством электроэнергии, накапливаемой этим прибором. Накопление происходит в виде электронов. Их количество, помещающееся в конденсаторе, определяет величину емкости конкретного устройства.

Для измерения емкости применяется единица – фарада. Емкость конденсатора в 1 фараду соответствует электрическому заряду в 1 кулон, а на обкладках разность потенциалов равна 1 вольту. Эта классическая формулировка не подходит для практических расчетов, поскольку в конденсаторе собираются не заряды, а электроны. Емкость любого конденсатора находится в прямой зависимости от объема электронов, способных накапливаться при нормальном рабочем режиме. Для обозначения емкости все равно используется фарада, а количественные параметры определяются по формуле: С = Q / U, где С означает емкость, Q – заряд в кулонах, а U является напряжением. Таким образом, просматривается взаимная связь заряда и напряжения, оказывающих влияние на способность конденсатора к накоплению и удержанию определенного количества электричества.

Для расчетов используется формула:
в которой ε 0 = 8,854187817 х 10 -12 ф/м представляет собой постоянную величину. Прочие величины: ε – является диэлектрической проницаемостью диэлектрика, находящегося между обкладками, S – означает площадь обкладки, а d – зазор между обкладками.

Формула энергии конденсатора

С емкостью самым тесным образом связана другая величина, известная как . После зарядки любого конденсатора, в нем образуется определенное количество энергии, которое в дальнейшем выделяется в процессе разрядки. С этой потенциальной энергией вступают во взаимодействие обкладки конденсатора. В них образуются разноименные заряды, притягивающиеся друг к другу.

В процессе зарядки происходит расходование энергии внешнего источника для разделения зарядов с положительным и отрицательным значением, которые, затем располагаются на обкладках конденсатора. Поэтому в соответствии с законом сохранения энергии, она не исчезает бесследно, а остается внутри конденсатора в виде электрического поля, сосредоточенного между пластинами. Разноименные заряды образуют взаимодействие и последующее притяжение обкладок между собой.

Каждая пластина конденсатора под действием заряда создает напряженность электрического поля, равную Е/2. Общее поле будет складываться из обоих полей, возникающих в каждой обкладке с одинаковыми зарядами, имеющими противоположные значения.

Таким образом, энергия конденсатора выражается формулой: W=q(E/2)d. В свою очередь, напряжение выражается с помощью понятий напряженности и расстояния и представляется в виде формулы U=Ed. Это значение, подставленное в первую формулу, отображает энергию конденсатора в таком виде:W=qU/2. Для получения окончательного результата необходимо использовать определение емкости: C=q/U, и в конце концов энергия заряженного конденсатора будет выглядеть следующим образом: W эл = CU 2 /2.

Формула заряда конденсатора

Для выполнения зарядки, конденсатор должен быть подключен к цепи постоянного тока. С этой целью может использоваться генератор. У каждого генератора имеется внутреннее сопротивление. При замыкании цепи происходит зарядка конденсатора. Между его обкладками появляется напряжение, равное электродвижущей силе генератора: U c = E.

Обкладка, подключенная к положительному полюсу генератора, заряжается положительно (+q), а другая обкладка получает равнозначный заряд с отрицательной величиной (- q). Величина заряда q находится в прямой пропорциональной зависимости с емкостью конденсатора С и напряжением на обкладках Uc. Эта зависимость выражается формулой: q = C x Uc.

В процессе зарядки одна из обкладок конденсатора приобретает, а другая теряет определенное количество электронов. Они переносятся по внешней цепи под влиянием электродвижущей силы генератора. Такое перемещение является электрическим током, известным еще как зарядный емкостной ток (Iзар).

Течение зарядного тока в цепи происходит практически за тысячные доли секунды, до того момента, пока напряжение конденсатора не станет равным электродвижущей силе генератора. Напряжение увеличивается плавно, а потом постепенно замедляется. Далее значение напряжения конденсатора будет постоянным. Во время зарядки по цепи течет зарядный ток. В самом начале он достигает максимальной величины, так как напряжение конденсатора имеет нулевое значение. Согласно закона Ома I зар = Е/R i , поскольку к сопротивлению Ri приложена вся ЭДС генератора.

Формула тока утечки конденсатора

Ток утечки конденсатора вполне можно сравнить с воздействием подключенного к нему резистора с каким-либо сопротивлением R. Ток утечки тесно связан с типом конденсатора и качеством используемого диэлектрика. Кроме того, важным фактором становится конструкция корпуса и степень его загрязненности.

Некоторые конденсаторы имеют негерметичный корпус, что приводит к проникновению влаги из воздуха и возрастанию тока утечки. В первую очередь это касается устройств, где в качестве диэлектрика использована промасленная бумага. Значительные токи утечки возникают из-за снижения электрического сопротивления изоляции. В результате нарушается основная функция конденсатора – способность получать и сохранять заряд электрического тока.

Основная формула для расчета выглядит следующим образом: I ут = U/R d , где I ут, – это ток утечки, U – напряжение, прилагаемое к конденсатору, а R d – сопротивление изоляции.

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.

По назначению конденсатор можно сравнить с батарейкой. Но имеется принципиальное отличие в работе данных элементов. Существуют отличия в предельной емкости и скорости зарядки конденсатора и батарейки.

Формула заряда конденсатора

где q – величина заряда одной из обкладок конденсатора, а – разность потенциалов между его обкладками.

Электроемкость конденсатора – это величина, которая зависит то размеров и устройства конденсатора.

Заряд на пластинах плоского конденсатора равен:

где – электрическая постоянная; – площадь каждой (или наименьшей) пластины; – расстояние между пластинами; – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, который находится между пластинами конденсатора.

Заряд на обкладках цилиндрического конденсатора вычисляется при помощи формулы:

где l – высота цилиндров; – радиус внешней обкладки; – радиус внутренней обкладки.

Заряд на обкладках сферического конденсатора найдем как:

Заряд конденсатора связан с энергией поля (W) внутри него:

Из формулы (6) следует, что заряд можно выразить как:

Рассмотрим последовательное соединение из N конденсаторов (рис. 1).

Здесь (рис.1) положительная обкладка одного конденсатора соединяется с отрицательной обкладкой следующего конденсатора. При таком соединении, обкладки соседних конденсаторов создают единый проводник. У всех конденсаторов, соединенных последовательно на обкладках имеются равные по величине заряды.

При параллельном соединении конденсаторов (рис.2), соединяют обкладки, имеющие заряды одного знака. Суммарный заряд соединения (q) равен сумме зарядов конденсаторов.

Примеры решения задач по теме «Заряд конденсатора»

ru.solverbook.com

Формула емкости конденсатора, С

Если q – величина заряда одной из обкладок конденсатора, а – разность потенциалов между его обкладками, то величина C, равная:

называется емкостью конденсатора. Это постоянная величина, которая зависит то размеров и устройства конденсатора.

Рассмотрим два одинаковых конденсатора, разница между которым заключается только в том, что между обкладками одного вакуум (или часто говорят воздух), между обкладками другого находится диэлектрик. В таком случае при равных зарядах на конденсаторах разность потенциалов воздушного конденсатора будет в раз меньше, чем между обкладками второго. Значит емкость конденсатора с диэлектриком (C) в раз больше, чем воздушного ():

где – диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

За единицу емкости конденсатора принимают емкость такого конденсатора, который единичным зарядом (1 Кл) заряжается до разности потенциалов, равной одному вольту (в СИ). Единицей емкости конденсатора (как и любой эклектической емкости) в международной системе единиц (СИ) служит фарад (Ф).

Формула электрической емкости плоского конденсатора

Поле между обкладками плоского конденсатора обычно считают однородным. Его однородность нарушается только около краев. При вычислении емкости плоского конденсатора этими краевыми эффектами часто пренебрегают. Это следует делать, если расстояние между пластинами мало в сравнении с их линейными размерами. Для расчета емкости плоского конденсатора применяют формулу:

Электрическая емкость плоского конденсатора, который содержит N слоев диэлектрика толщина каждого , соответствующая диэлектрическая проницаемость i-го слоя , равна:

Формула электрической емкости цилиндрического конденсатора

Цилиндрический конденсатор представляется собой две соосных (коаксиальных) цилиндрические проводящие поверхности, разного радиуса, пространство между которыми заполняет диэлектрик. Электрическая емкость цилиндрического конденсатора вычисляется как:

Формула электрической емкости сферического конденсатора

Сферическим конденсатором называют конденсатор, обкладками которого являются две концентрические сферические проводящие поверхности, пространство между ними заполнено диэлектриком. Емкость такого конденсатора находят как:

где – радиусы обкладок конденсатора.

Примеры решения задач по теме «Емкость конденсатора»

ru.solverbook.com

Ёмкость конденсатора – Все формулы

Электрическая ёмкость – характеристика проводника (конденсатора), мера его способности накапливать электрический заряд.

Конденсатор состоит из двух проводников (обкладок), которые разделены диэлектриком. На емкость конденсатора не должны влиять окружающие тела, поэтому проводникам придают такую форму, чтобы поле, которое создается накапливаемыми зарядами, было сосредоточено в узком зазоре между обкладками конденсатора. Этому условию удовлетворяют: 1) две плоские пластины; 2) две концентрические сферы; 3) два коаксиальных цилиндра. Поэтому в зависимости от формы обкладок конденсаторы делятся на плоские, сферические и цилиндрические.

Так как поле сосредоточено внутри конденсатора, то линии напряженности начинаются на одной обкладке и кончаются на другой, поэтому свободные заряды, которые возникают на разных обкладках, равны по модулю и противоположны по знаку. Под емкостью конденсатора понимается физическая величина, равная отношению заряда Q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов (φ1 – φ2) между его обкладками

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.

Конденсаторы можно классифицировать по следующим признакам и свойствам:

1) по назначению – конденсаторы постоянной и переменной емкости;

2) по форме обкладок различают конденсаторы плоские, сферические, цилиндрические и др. ;

3) по типу диэлектрика – воздушные, бумажные, слюдяные, керамические, электролитические и т.д.

Так же есть:

Энергия конденсатора:

Ёмкость цилиндрического конденсатора:

Ёмкость плоского конденсатора:

Емкость сферического конденсатора:

В формуле мы использовали:

Электрическая ёмкость (ёмкость конденсатора)

Потенциал проводника (Напряжение)

Потенциал

Относительная диэлектрическая проницаемость

Электрическая постоянная

Площадь одной обкладки

Расстояние между обкладками

xn--b1agsdjmeuf9e.xn--p1ai

Заряд конденсатора, теория и примеры задач

Определение и заряд конденсатора

Возможность конденсатора накопить электрический заряд зависит от главной характеристики конденсатора – емкости (C).

По своему назначению конденсатор можно уподобить батарейке. Однако существует принципиальное отличие в принципах работы этих элементов. Отличаются, также максимальные емкости и скорости зарядки и разряда конденсатора и батарейки.

Если к конденсатору присоединить источник напряжения (рис.1), то на одной из пластин конденсатора станут накапливаться отрицательные заряды (электроны), на другой положительные частицы (положительные ионы). Между обкладками конденсатора находится диэлектрик, вследствие этого, заряды не могут перебраться на противоположную пластину. Однако заметим, что электроны двигаются от источника тока до пластины конденсатора.

При первоначальном соединении конденсатора и источника тока на обкладках конденсатора много свободного места. Это означает, что сопротивление току этот момент времени минимально, сам ток максимален. В ходе зарядки конденсатора сила тока в цепи постепенно падает, до того момента пока не закончится свободное место на обкладках. При полной зарядке конденсатора ток в цепи прекратится.

Время, которое затрачивается на зарядку конденсатора от нулевого заряда (максимального тока) до полностью заряженного конденсатора (минимальная или нулевая сила тока) называют переходным периодом заряда конденсатора. На практике процесс зарядки конденсатора считают законченным, если сила тока уменьшилась до 1% от начальной величины.

Величина заряда конденсатора (q) связана с его емкостью (C) и разностью потенциалов (U) между его обкладками как:

Примеры решения задач

ru.solverbook.com

Формула электроемкости конденсатора

Обкладки должны иметь такую форму и быть расположены так относительно друг друга, что поле, которое создается данной системой, было максимально сосредоточено в ограниченной области пространства, между обкладками.

Назначение конденсатора в том, чтобы накапливать и отдавать в электрической цепи заряд.

Основной характеристикой конденсатора является электрическая емкость (C). Электрическая емкость конденсатора – это взаимная емкость принадлежащих ему обкладок:

q – величина заряда на обкладке; – разность потенциалов между обкладками.

Электрическая ёмкость конденсатора зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрика, который заполняет пространство между его обкладками. Если пространство между обкладками одного конденсатора заполнено диэлектриком с проницаемостью равной , а у второго конденсатора воздух между пластинами, то емкость конденсатора с диэлектриком (C) в раз больше, чем емкость воздушного конденсатора ():

Формула электроемкости основных типов конденсаторов

При расчете электроемкости плоского конденсатора нарушением однородности поля около краёв обкладок обычно пренебрегают. Это становится возможным, если расстояние между пластинами существенно меньше, чем линейные размеры обкладок. В таком случае электрическую емкость плоского конденсатора вычисляют при помощи формулы:

где – электрическая постоянная; S – площадь каждой (или наименьшей) пластины; d – расстояние между пластинами.

Если плоский конденсатор между обкладками имеет N слоев диэлектрика, при этом толщина каждого слоя равна , а диэлектрическая проницаемость , то его электрическую емкость рассчитывают при помощи формулы:

Цилиндрический конденсатор составляют две соосных (коаксиальных) цилиндрические проводящие поверхности, разного радиуса, пространство между которыми заполнено диэлектриком. При этом емкость цилиндрического конденсатора находят как:

где l – высота цилиндров; – радиус внешней обкладки; – радиус внутренней обкладки.

У сферического конденсатора обкладками служат две концентрические сферические проводящие поверхности, пространство обкладками заполняет диэлектрик. Емкость сферического конденсатора вычисляют как:

где – радиусы обкладок конденсатора. Если , то можно считать, что , тогда, мы имеем:

так как – площадь поверхности сферы, и если обозначить , то получим формулу для емкости плоского конденсатора (3). Если расстояние между обкладками сферического и цилиндрического конденсаторов малы (в сравнении с их радиусами), то в приближенных расчетах используют формулу емкости для плоского конденсатора.

Электрическую емкость для линии из двух проводов находят как:

где d – расстояние между осями проводов; R – радиус проводов; l – длина линии.

Формулы для вычисления электрической емкости соединений конденсаторов

Если конденсаторы соединены параллельно, то суммарная емкость батареи (C) находится как сумма емкостей отдельных конденсаторов ():

При последовательном соединении конденсаторов емкость батареи вычисляют как:

Если последовательно соединены N конденсаторов, с емкостями то емкость батареи найдем как:

Сопротивление конденсатора

Если конденсатор включен в цепь с постоянного тока, то сопротивление конденсатора можно считать бесконечно большим.

При включении конденсатора в цепь переменного тока, его сопротивление носит название емкостного, и вычисляют его с помощью формулы:

где – частота переменного тока; – угловая частота тока; C – емкость конденсатора.

Энергия поля конденсатора

Электрическое поле локализованное между пластинами конденсатора обладает энергией, которую можно вычислить при помощи формулы:

где –энергия поля конденсатора; q – заряд конденсатора; C – емкость конденсатора; – разность потенциалов между обкладками конденсатора.

Энергия поля плоского конденсатора:

Примеры решения задач по теме «Электроемкость конденсатора»

ru.solverbook.com

Как найти заряд конденсатора 🚩 как определить величину заряда 🚩 Естественные науки

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 кварц. 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.

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 дыхания, 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.

www.kakprosto.ru

Соединение конденсаторов: формулы

Содержание:

1. Последовательное соединение
2. Онлайн калькулятор
3. Смешанное соединение
4. Параллельное соединение
5. Видео

В электронных и радиотехнических схемах широкое распространение получило параллельное и последовательное соединение конденсаторов. В первом случае соединение осуществляется без каких-либо общих узлов, а во втором варианте все элементы объединяются в два узла и не связаны с другими узлами, если это заранее не предусмотрено схемой.

Последовательное соединение

При последовательном соединении два и более конденсаторов соединяются в общую цепь таким образом, что каждый предыдущий конденсатор соединяется с последующим лишь в одной общей точке. Ток (i), осуществляющий зарядку последовательной цепи конденсаторов будет иметь одинаковое значение для каждого элемента, поскольку он проходит только по единственно возможному пути. Это положение подтверждается формулой: i = ic1 = ic2 = ic3 = ic4.

В связи с одинаковым значением тока, протекающего через конденсаторы с последовательным соединением, величина заряда, накопленного каждым из них, будет одинаковой, независимо от емкости. Такое становится возможным, поскольку заряд, приходящий с обкладки предыдущего конденсатора, накапливается на обкладке последующего элемента цепи. Поэтому величина заряда у последовательно соединенных конденсаторов будет выглядеть следующим образом: Qобщ= Q1 = Q2 = Q3.

Если рассмотреть три конденсатора С1, С2 и С3, соединенные в последовательную цепь, то выясняется, что средний конденсатор С2 при постоянном токе оказывается электрически изолированным от общей цепи. В конечном итоге величина эффективной площади обкладок будет уменьшена до площади обкладок конденсатора с самыми минимальными размерами. Полное заполнение обкладок электрическим зарядом, делает невозможным дальнейшее прохождение по нему тока. В результате, движение тока прекращается во всей цепи, соответственно прекращается и зарядка всех остальных конденсаторов.

Общее расстояние между обкладками при последовательном соединении представляет собой сумму расстояний между обкладками каждого элемента. В результате соединения в последовательную цепь, формируется единый большой конденсатор, площадь обкладок которого соответствует обкладкам элемента с минимальной емкостью. Расстояние между обкладками оказывается равным сумме всех расстояний, имеющихся в цепи.

Падение напряжения на каждый конденсатор будет разным, в зависимости от емкости. Данное положение определяется формулой: С = Q/V, в которой емкость обратно пропорциональна напряжению. Таким образом, с уменьшением емкости конденсатора на него падает более высокое напряжение. Суммарная емкость всех конденсаторов вычисляется по формуле: 1/Cобщ = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3.

Главная особенность такой схемы заключается в прохождении электрической энергии только в одном направлении. Поэтому в каждом конденсаторе значение тока будет одинаковым. Каждый накопитель в последовательной цепи накапливает равное количество энергии, независимо от емкости. То есть емкость может воспроизводиться за счет энергии, присутствующей в соседнем накопителе.

Онлайн калькулятор, для расчета емкости конденсаторов соединенных последовательно в электрической цепи.

Смешанное соединение

Параллельное соединение конденсаторов

Параллельным считается такое соединение, при котором конденсаторы соединяются между собой двумя контактами. Таким образом в одной точке может соединяться сразу несколько элементов.

Данный вид соединения позволяет сформировать единый конденсатор с большими размерами, площадь обкладок которого будет равна сумме площадей обкладок каждого, отдельно взятого конденсатора. В связи с тем, что емкость конденсаторов находится в прямой пропорциональной зависимости с площадью обкладок, общая емкость составить суммарное количество всех емкостей конденсаторов, соединенных параллельно. То есть, Собщ = С1 + С2 + С3.

Поскольку разность потенциалов возникает лишь в двух точках, то на все конденсаторы, соединенные параллельно, будет падать одинаковое напряжение. Сила тока в каждом из них будет отличаться, в зависимости от емкости и значения напряжения. Таким образом, последовательное и параллельное соединение, применяемое в различных схемах, позволяет выполнять регулировку различных параметров на тех или иных участках. За счет этого получаются необходимые результаты работы всей системы в целом.

electric-220.ru

Закон Кулона

Закон Кулона — это один из основных законов электростатики. Он определяет величину и направление силы взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами.

Под точечным зарядом понимают заряженное тело, размер которого много меньше расстояния его возможного воздействия на другие тела. 2}$

где $|q_1|$ и $|q_2|$ — модули зарядов; $r$ — расстояние между ними; $k$ — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. Сила взаимодействия направлена по прямой, соединяющей заряды, причем одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются.

Сила взаимодействия между зарядами зависит также от среды между заряженными телами.

В воздухе сила взаимодействия почти не отличается от таковой в вакууме. Закон Кулона выражает взаимодействие зарядов в вакууме.

Кулон — единица электрического заряда. Кулон (Кл) — единица СИ количества электричества (электрического заряда). Она является производной единицей и определяется через единицу силы тока 1 ампер (А), которая входит в число основных единиц СИ.

За единицу электрического заряда принимают заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока $1$А за $1$с.

То есть $1$ Кл$= 1А·с$.

Заряд в $1$ Кл очень велик. Сила взаимодействия двух точечных зарядов по $1$ Кл каждый, расположенных на расстоянии $1$ км друг от друга, чуть меньше силы, с которой земной шар притягивает груз массой $1$ т. 2$ – электрическая постоянная.

Электрическая емкость конденсатора

Электроемкость

Электроемкостью проводника $С$ называют численную величину заряда, которую нужно сообщить проводнику, чтобы изменить его потенциал на единицу:

Емкость характеризует способность проводника накапливать заряд. Она зависит от формы проводника, его линейных размеров и свойств среды, окружающей проводник.

Единицей емкости в СИ является фарада ($Ф$) — емкость проводника, в котором изменение заряда на $1$ кулон меняет его потенциал на $1$ вольт.

Электрический конденсатор

Электрический конденсатор (от лат. condensare, буквально сгущать, уплотнять) — устройство, предназначенное для получения электрической емкости заданной величины, способное накапливать и отдавать (перераспределять) электрические заряды.

Конденсатор — это система из двух или нескольких равномерно заряженных проводников с равными по величине зарядами, разделенных слоем диэлектрика. 2}/{2}$

где $ε$ – диэлектрическая проницаемость среды, $ε_0$ – электрическая постоянная.

Сила тока

Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Сила электрического тока — это величина ($I$), характеризующая упорядоченное движение электрических зарядов и численно равная количеству заряда $∆q$, протекающего через определенную поверхность $S$ (поперечное сечение проводника) за единицу времени:

$I={∆q}/{∆t}$

Итак, чтобы найти силу тока $I$, надо электрический заряд $∆q$, прошедший через поперечное сечение проводника за время $∆t$, разделить на это время.

Сила тока зависит от заряда, переносимого каждой частицей, скорости их направленного движения и площади поперечного сечения проводника.

Рассмотрим проводник с площадью поперечного сечения $S$. Заряд каждой частицы $q_0$. В объеме проводника, ограниченном сечениями $1$ и $2$, содержится $nS∆l$ частиц, где $n$ — концентрация частиц. Их общий заряд $q=q_{0}nS∆l$. 2$, дает весьма незначительную величину — $∼0.1$ мм/с.

Закон Ома для участка цепи

Сила тока на участке цепи равна отношению напряжения на этом участке к его сопротивлению.

Закон Ома выражает связь между тремя величинами, характеризующими протекание электрического тока в цепи: силой тока $I$, напряжением $U$ и сопротивлением $R$.

Закон этот был установлен в 1827 г. немецким ученым Г. Омом и поэтому носит его имя. В приведенной формулировке он называется также законом Ома для участка цепи . Математически закон Ома записывается в виде следующей формулы:

Зависимость силы тока от приложенной разности потенциалов на концах проводника называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) проводника.

Для любого проводника (твердого, жидкого или газообразного) существует своя ВАХ. Наиболее простой вид имеет вольт-амперная характеристика металлических проводников, заданная законом Ома $I={U}/{R}$, и растворов электролитов. Знание ВАХ играет большую роль при изучении тока.

Закон Ома — это основа всей электротехники. Из закона Ома $I={U}/{R}$ следует:

1. сила тока на участке цепи с постоянным сопротивлением пропорциональна напряжению на концах участка;
2. сила тока на участке цепи с неизменным напряжением обратно пропорциональна сопротивлению.

Эти зависимости легко проверить экспериментально. Полученные с использованием схемы, графики зависимости силы тока от напряжения при постоянном сопротивлении и силы тока от сопротивления представлены на рисунке. В первом случае использован источник тока с регулируемым выходным напряжением и постоянное сопротивление $R$, во втором — аккумулятор и переменное сопротивление (магазин сопротивлений).

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление — это физическая величина, характеризующая противодействие проводника или электрической цепи электрическому току.

Электрическое сопротивление определяется как коэффициент пропорциональности $R$ между напряжением $U$ и силой постоянного тока $I$ в законе Ома для участка цепи. {-1}$. Для растворов электролитов $α

Зависимость сопротивления проводника от температуры используется в термометрах сопротивления.

Параллельное и последовательное соединение проводников

Для параллельного соединения проводников справедливы следующие соотношения:

1) электрический ток, поступающий в точку $А$ разветвления проводников (она называется также узлом ), равен сумме токов в каждом из элементов цепи:

3) при параллельном соединении проводников складываются их обратные сопротивления:

${1}/{R}={1}/{R_1}+{1}/{R_2}, R={R_1·R_2}/{R_1+R_2};$

4) сила тока и сопротивление в проводниках связаны соотношением:

${I_1}/{I_2}={R_2}/{R_1}$

Для последовательного соединения проводников в цепи справедливы следующие соотношения:

1) для общего тока $I$:

где $I_1$ и $I_2$ — ток в проводниках $1$ и $2$ соответственно; т. е. при последовательном соединении проводников сила тока на отдельных участках цепи одинакова;

2) общее напряжение $U$ на концах всего рассматриваемого участка равно сумме напряжений на отдельных его участках:

3) полное сопротивление $R$ всего участка цепи равно сумме последовательно соединенных сопротивлений:

4) также справедливо соотношение:

${U_1}/{U_2}={R_1}/{R_2}$

Работа электрического тока.

Закон Джоуля-Ленца

Работа, совершаемая током, проходящим по некоторому участку цепи, согласно ($U=φ_1-φ_2={A}/{q}$) равна:

где $А$ — работа тока; $q$ — электрический заряд, прошедший за данное время через рассматриваемый участок цепи. Подставляя в последнее равенство формулу $q=It$, получаем:

Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого совершалась работа.

Закон Джоуля-Ленца

Закон Джоуля — Ленца гласит: количество теплоты, выделяемое в проводнике на участке электрической цепи с сопротивлением $R$ при протекании по нему постоянного тока $I$ в течение времени $t$ равно произведению квадрата тока на сопротивление и время:

Закон был установлен в 1841 г. английским физиком Дж. П. Джоулем, а в 1842 г. подтвержден точными опытами русского ученого Э. X. Ленца. Само же явление нагрева проводника при прохождении по нему тока было открыто еще в 1800 г. французским ученым А. 2}/{R}$

Из соотношения для ЭДС легко получить мощность источника тока:

В СИ работу выражают в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт), а время -в секундах (с). При этом

$1$Вт$=1$Дж/с, $1$Дж$=1$Вт$·$с.

Рассчитаем наибольшую допустимую мощность потребителей электроэнергии, которые могут одновременно работать в квартире. Так как в жилых зданиях сила тока в проводке не должна превышать $I=10$А, то при напряжении $U=220$В соответствующая электрическая мощность оказывается равной:

$Р=10А·220В=2200Вт=2.2кВт.$

Одновременное включение в сеть приборов с большей суммарной мощностью приведет к увеличению силы тока, и потому недопустимо.

В быту работу тока (или израсходованную на совершение этой работы электроэнергию) измеряют с помощью специального прибора, называемого электрическим счетчиком (счетчиком электроэнергии). При прохождении тока через этот счетчик внутри его начинает вращаться легкий алюминиевый диск. Скорость его вращения прямо пропорциональна силе тока и напряжению. Поэтому по числу оборотов, сделанных им за данное время, можно судить о работе, совершенной током за это время. Работа тока при этом выражается обычно в киловатт-часах ($кВт·ч$).

$1кВт·ч$ — это работа, совершаемая электрическим током мощностью $1кВт$ в течение $1ч$. Так как $1кВт=1000Вт$, а $1ч=3600с$, то $1кВт·ч=1000Вт·3600с=3600000 Дж$.

Что такое конденсатор? Принцип работы, типы и принцип работы

Я считаю, что вы использовали конденсаторы в электронных схемах.

Вы понимаете принципы и использование этого?

Позвольте мне объяснить вам это подробнее.

Вы можете их применить. Для разработки электронных проектов Или может решить вашу работу.

Обладает следующими уникальными характеристиками.

• Сохраните электрический ток.
• Блокировка постоянного тока, не проходящего через него
• Разрешить переменный ток течь через него

Готовы?

Что такое конденсатор?

Конденсатор – это основное электронное устройство для хранения электрических зарядов. Возможно, вы не видите достаточно изображений.

Рекомендуется: Краткое описание принципа основного конденсатора

Посмотрите на изображение. Вы когда-нибудь смотрели фильм о Древней войне?

Представьте, что мы могли бы сравнить конденсатор с обычной пружиной.

Сначала разрушается пружина. Затем растягиваем или вытягиваем пружину.Значит, мы даем энергию источнику.

Он накапливает энергию от нас!

После этого мы его выпустили. Пружина вернется в исходное состояние. Это приводит к выбросу камня.

И что?

Базовая структура конденсатора

Посмотрите на базовую структуру конденсатора ниже.

Состоит из 2-х проводников. Это называется «Тарелки». И разделены «Диэлектриком».

Которая состоит из электрической изоляции, такой как бумага, слюда, керамика, воздух и т. Д.

Снова посмотрите на изображение, это конденсатор постоянной емкости.

Мы часто называем тип конденсатора в соответствии с веществом, из которого изготовлен диэлектрик.

Например, у керамических конденсаторов будет диэлектрик, то есть керамический.

Факторы, влияющие на емкость

Вариант, увеличивающий или уменьшающий емкость конденсатора, имеет следующие 3 вещи.

• Случай 1 # Площадь параллельных пластин. Конденсатор имеет очень большую площадь пластин.Значит, тем больше емкость.
• Случай 2 # Если расстояние между пластинами больше, это уменьшит емкость.
• Корпус 3 # Заменить диэлектрическое вещество. Это также вызывает изменение емкости.

Определение и номинал конденсатора

Величину конденсатора мы назвали емкостью. Это способность хранить электроны.

Единица конденсатора Фарада. Мы можем написать аббревиатуру: F.

Конденсатор емкостью 1 фарад, подключенный к источнику питания 1 вольт, будет хранить 6,280,000,000,000,000,000,000 (6.28 × 10-18) электронов!

Итак, на практике 1 фарад очень ценный. Большинство конденсаторов имеют гораздо меньшие значения.

Мы часто видим большинство конденсаторов:

• Микрофарады (миллионные доли фарада) – указанные конденсаторы большой емкости.
• Пикофарады (триллионные доли фарада) – указанные конденсаторы меньшего размера.

Вывод:

• 1-Фарад = 1Ф
• 1-Микрофарад = 1 мкФ = 0.000001F = 1 / 1000000F
• 1-пикофарад = 1pF = 0,000 000 000 001F = 1 / 1000000000000F
  или
• 1-пикофарад = 0,000001 мкФ = 1/1000000 μ F

Микрофарад = пикофарад / 1,000,000

001 мкФ

Фарад (F)	Микрофарад (мкФ)	Пикофарад (пФ)
0,001	1,000 мкФ 1 1,000	1,000 мкФ 1 1,000	100 мкФ	100 000 000 пФ
0,00001	10 мкФ	10 000 000 пФ
0,000001	1 0,00128	1 0,00128	1 0,00128	100000 пФ
0,00000001	0,01 мкФ	10 000 пФ
0,000000001	0. 001 мкФ	1000 пФ

Конденсатор Принцип работы

Как и выше, мы знаем, что конденсатор работает с зарядом и разрядом. Но некоторые могут не ясно понимать.

Надеюсь, вы дадите 2 идеи ниже.

Зарядка конденсатора

Предназначена для хранения электронов на пластине конденсатора. Что мы подробно объяснили на диаграмме ниже (B).

При подключении АКБ к конденсатору. Электроны с минуса батареи будут собираться на пластине.

Вызывает отрицательные ионы. И также посылает электрическое поле, чтобы толкнуть электрон противоположной пластины.

Как если бы магниты с одинаковой полярностью приблизились друг к другу, они сошлись бы.

Обычно в пластинах смешаны ионы + и -. Когда электроны из этой пластины выталкиваются наружу.

Остается больше положительного иона, чем отрицательного.

Чем больше электронов отталкивается, тем положительнее будет пластина. (По сравнению с другой стороной)

Примечание: Если мой текст нечеткий, пожалуйста, лучше посмотрите на диаграмму.

Если мы хотим более наглядно наблюдать за работой конденсатора. У нас есть простой метод – использовать последовательно ограничивающие ток резисторы.

Посмотрите на схему ниже.

Вы можете уменьшить время зарядки. Поместив резистор между конденсатором и батареей на 9 В.

И вы можете легко увидеть график времени зарядки.

Вначале пиковый ток течет по конденсатору и замедляется до нуля. Во время задержки со значением резистора и конденсатора.

Разрядка конденсатора

Конденсатор заряжен. Если мы еще не соединили выводы конденсатора вместе. Электроны все еще на пластине.

Затем он будет постепенно течь через диэлектрик, пока обе пластины не будут иметь одинаковый заряд.

Но если между пластинами короткое замыкание или полное замыкание. Как показано на рисунке ниже.

Электроны немедленно пройдут полный цикл от отрицательной пластины к положительной.Мы называем это событие «Разрядка»

Что еще?

Как и выше, добавляем резистор. Конденсатор будет разряжаться медленнее. И смотрите график времени разряда.

Напряжение конденсатора будет постепенно снижаться до OV.

Тип конденсаторов

Мы часто видим два наиболее распространенных конденсатора: конденсаторы постоянной емкости и конденсаторы переменной емкости. Это обсуждается ниже.

Конденсаторы постоянной емкости

Конденсаторы постоянной емкости, используемые сегодня, бывают многих типов.Мы маркируем их в соответствии с их диэлектрической проницаемостью.

Например, керамика, слюда, майлар, полистирол, полиэстер, бумага, электролит, тантал и многие другие.

Но мне нравится использовать только 3 типа: электролитический, керамический и майларовый. Потому что они подходят для обычных работ и недороги.

А вот только два типа примеров, только электролитические и керамические.

Конденсаторы керамические

В целом он выглядит круглым, плоским, оранжевым.Как видно на рисунке.

Большинство из них меньше 1 мкФ.

И это будет конденсатор неполярного типа. (При использовании вообще не нужно учитывать полярность.)

И он может выдерживать напряжение около 50–100 В.

Емкость керамического конденсатора, который мы сейчас используем, составляет от 1 пФ до 1 мкФ.

Электролитические конденсаторы

При использовании конденсаторов этого типа необходимо соблюдать осторожность. Потому что здесь очень специфическая полярность.

Он будет напечатан, чтобы четко обозначить сторону тела.

Не ошиблись Полярность

При вводе напряжения для конденсатора в неправильная полярность. Он немедленно получит повреждения.

Клеммы этого типа конденсатора хорошо видны.

При покупке в магазине длинные ноги считаются положительными, а короткие – отрицательными.

Предупреждения Рабочее напряжение конденсатора

Первое предостережение: все конденсаторы имеют номинальное напряжение. Или мы называем рабочее напряжение (WV).

Мы должны подать на конденсатор напряжение ниже этого значения.

Если вы пренебрегаете или игнорируете это требование. Я пропустил это.

Я не хочу видеть тебя грустным, как я. Слишком высокое напряжение может убить его.

В общем случае мы сохраняем напряжение конденсатора примерно в 2 раза больше фактического рабочего напряжения.

Например, керамический конденсатор будет иметь номинальное напряжение 50 вольт (В). Мы должны использовать входное напряжение около 25 В или ниже.

Заменяющий конденсатор

Вы когда-нибудь читали полезные методики покупки электронных устройств?

Мы всегда должны сначала выбирать тот, у которого рабочее напряжение выше.

Например:

Между значениями от 50 до 100 В. Мы должны выбрать 100V. Потому что его можно использовать для замены 50В.

Предупреждение Высокое напряжение в конденсаторе

Упс! что-то пошло не так.

Искра на кончике измерительного щупа. Пока я измерял резистор на плате блока питания.

Что случилось?

В большом электролитическом конденсаторе можно заряжать напряжение от 100 до 200 вольт.

Когда металлический наконечник касается обоих выводов. Самый высокий ток – короткое замыкание в быстром.Он может растопить что угодно.

Конечно, это слишком опасно. Изображение если палец? потрогай это. Это тоже может убить вас.

В целях безопасности я всегда разряжаю его. При работе с ним.

Самый простой способ – подключить электролитические конденсаторы к лампочке.

Переменные конденсаторы

Часто они имеют неподвижные пластины и подвижные пластины. Емкость изменяется вращением стержня, прикрепленного к одной стороне подвижных мест.

Емкости можно регулировать поворотом оси конденсатора.

При вращении штанга закрепляется подвижными местами. Емкости будут меняться с нашим вращением.

Их можно разделить на 2 типа

Подстроечные конденсаторы

Посмотрите на схему ниже.

Этот тип используется для настройки генератора. Я часто вижу в FM беспроводной передатчик или цифровые часы. Они маленькие.

Переменный конденсатор

Мы используем этот тип для настройки радиоприемников и передатчиков.Диэлектрик обычно – воздух. Смотрите схему ниже.

Как читать код конденсатора

Так как большинство керамических и майларовых конденсаторов имеют небольшие размеры. Производители должны указывать код вместо емкости.

Ниже приведен способ декодирования конденсатора. В начале это может быть сложно.

Но если посмотреть на пример, наверное, поймешь его технику.

• Первая и вторая цифры – это фиксированные числа, имеющие единицы измерения в пФ.
• Третий – множитель с числом десять в степени.Например 10³.
• Четвертый уровень допуска, такой как J = 5%, K = 10%, M = 20%.

Как это сделать?

• Какое значение конденсатора 101K?
  Первая цифра = 1
  Вторая цифра = 0
  Множитель = 10 ¹ , или Это означает: 0 пФ (ноль пикофарад)
  Допуск K = 10%
  101K = 100 пФ = 0,0001 мкФ и допуск 10%.

  Что еще?
  

• Емкость конденсатора 473K?
  Первая цифра = 4
  Вторая цифра = 7
  Множитель = 10 ³ , или Это означает: 000 пФ (три пикофарада)
  Допуск K = 10%
  473K = 47 000 пФ = 0.047 мкФ и допуск 10%
  
• 102M : 10 x 10 ² пФ = 10 00 пФ. Это 0,001 мкФ и допуск 20%.
• 103J : 10 x 10 ³ пФ = 10 000 пФ. Это 0,01 мкФ и допуск 5%.
• 104J : 10 x 10 ⁴ пФ = 10 0000 пФ. Это 0,1 мкФ и допуск 5%.

  Вы понимаете?
  

Конденсаторы для применения

Мы используем конденсаторы во многих электронных схемах.Это важные составляющие. Вот несколько причин, по которым мы их используем.

Фильтр источника питания

Мы всегда используем конденсаторы в фильтре источника питания. Они сглаживают пульсирующее напряжение до постоянного постоянного тока (DC).

Связано: Изучите конденсатор фильтра в цепи питания

Цифровой прибор для удаления шипов

Почему моя цифровая схема работает с ошибкой? Это не стабильно.

Давайте попробуем этот совет. Добавьте конденсатор 0,1 мкФ на клеммы источника питания.Как на схеме ниже.

Но это имеет огромное влияние. Для близлежащих схем. Посмотрите на сигнал на графике изображения.

Сравните уровни напряжения при добавлении конденсатора.

• A: Уровень напряжения без конденсатора.
• B: Уровень напряжения с конденсатором.

Конденсаторный переключатель защиты от переходных процессов

При включении и выключении электрического выключателя в доме. Вы когда-нибудь слышали кратковременное беспокойство?

Как это случилось?

Это вызвано прикосновением контактов переключателей друг к другу.Это скачок напряжения.

Даже на короткое время Но электрический ток очень большой. Что выше нормы.

Значит, может нарушить работу близлежащих электронных схем.

Как мы можем уменьшить эту проблему?

Как известно принцип работы конденсатора. Ему нравится высокая частота. Затем мы кладем его на выключатель.

Посмотрите на электрическую схему.

Я использую майларовый или керамический конденсатор 0,1 мкФ 630 В.

Хорошо поглощает переходные процессы или скачки напряжения.Вы заметите, что шум исчез.

Заключение

Конденсаторы являются основными компонентами. Но они очень полезны для всей электроники. Вы можете их использовать?

Вот несколько связанных сообщений, которые тоже могут оказаться полезными:

ПОЛУЧИТЬ ОБНОВЛЕНИЕ ПО ЭЛЕКТРОННОЙ ПОЧТЕ

Я всегда стараюсь сделать Electronics Learning Easy .

Принцип конденсатора | Репетитор 4 по физике

Что такое конденсатор

Это устройство, используемое для хранения заряда в электрической цепи

Ежедневное использование

Для устранения искры в системе зажигания автомобиля. Когда электрический ток включен или выключен, возникает наведенный ток, который может вызвать искрение. Если поставить конденсатор в цепь этим током вместо этого заряжает конденсатор, и это предотвратит возникновение искры.

Заряд пропорционален потенциалу

Когда в проводник подается заряд, его потенциал повышается. Если дать проводнику заряд Q затем его потенциал возрастает. Чем больше заряд, тем больше потенциал. Таким образом, они имеют отношение к каждому другое и может быть выражено как

Q ∝ V

Это означает, что заряд Q прямо пропорционален потенциалу V или что потенциал прямо пропорционален пропорционально заряду проводника

Мы можем переписать это как следующее уравнение

Q = C V

Здесь C – емкость проводника

Факторы, определяющие емкость

1.Форма и размер проводника

2. Окружающая среда

3. Наличие прочих проводников

Мы можем переписать уравнение как:

C = Q / V

Где C – заряд, накопленный на единицу повышения потенциала в проводнике

Единица СИ для емкости

Это Фарад

1 Фарад = 1 Кулон / Вольт

или

1 F = 1 C / V

Однако Фарад – очень большая единица измерения, поэтому мы используем единицы меньшего размера, такие как

мкФ

что

10

^-6 F

Емкость изолированного сферического проводника

Рассмотрим емкость изолированного сферического проводника. Скажем, у нас есть сфера радиуса r и, скажем, заряд Q передается проводнику.

Можно записать, что потенциал

V = Q / 4π Ε

₀ r

Мы знаем, что

C = Q / V

или

Q / V = ​​4π Ε

₀ r

, таким образом, емкость сферического проводника равна

C = 4π Ε

₀ r

Это выражение показывает, что емкость C прямо пропорциональна радиусу r сферического проводника

Чем больше радиус, тем больше емкость сферического проводника

Принцип конденсатора

Допустим, у нас есть большая тарелка и мы даем ей положительный заряд

Существует ограничение на количество заряда, которое может быть передано пластине, поскольку Заряд с учетом его потенциала возрастает, и после определенного предела заряды начинают протекать.

Если мы возьмем другую пластину и поместим ее рядом с этой положительно заряженной пластиной, то отрицательная заряд будет тянуться к стороне этой пластины, которая ближе к положительно заряженной пластине а с другой стороны – положительный заряд.

Этот отрицательный заряд на пластине 2 снижает потенциал на пластине 1. На В то же время положительный заряд на пластине 2 будет пытаться увеличить потенциал пластины 1. Однако эффект от более близкой стороны пластины 2, удерживающей отрицательный заряд, будет больше.Это приводит к снижению потенциала пластины 1. Итак, теперь дополнительную плату можно отнести к пластине 1

Теперь заземлим внешнюю сторону второй пластины. Тогда положительный заряд на этой стороне отправится на Землю. С этой пластиной 1 сможет удерживать еще больше положительного заряда.

Это принцип конденсатора

Типичный конденсатор, представляющий собой конденсатор с параллельными пластинами, состоит из двух параллельных пластины, разделенные расстоянием d. А – площадь поперечного сечения этих пластин и если на одну пластину подается заряд + Q, на другой пластине будет заряд -Q.

Как заряжать такой конденсатор? Давайте посмотрим на электрическую схему. Конденсатор C обозначены двумя параллельными линиями. В схеме также есть батарейка V и выключатель K. При включении ключа включается, электроны с первой пластины начинают двигаться к положительному полюсу батареи. Это означает, что ток течет от положительного полюса батареи к отрицательному.

Таким образом, положительный конец батареи будет извлекать электроны из одной пластины и откладывать их на другой. пластина.В результате одна пластина приобретет положительный заряд, а другая – отрицательный. обвинять. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока конденсатор не приобретет потенциал V что в точности равно потенциалу аккумулятора. Тогда ток прекратится. Теперь конденсатор на нем хранится заряд, а разность потенциалов на пластинах точно равна разность потенциалов на аккумуляторе. Или сохраненный заряд можно записать как

Q =

CV. Конденсатор

– обзор | Темы ScienceDirect

8.3.6 Переменные конденсаторы RF MEMS

Конденсаторы являются ключевым элементом в RF схемах. Конденсаторы постоянной емкости можно легко реализовать, поместив диэлектрик, либо изолятор (MIM), либо воздух (MAM) между двумя проводящими металлическими слоями. Поскольку нет движущихся частей, зарядка не является проблемой, и можно использовать диэлектрики с высоким значением , , _, .

Технология RF MEMS позволяет изменять емкость путем реализации либо переключаемых конденсаторов (Palego и др. ., 2006), либо настраиваемых варакторов.Кроме того, можно использовать переключатели для подключения или отключения любого элемента батареи фиксированных конденсаторов. Бранк и др. (2001) и Энтесари и Ребеиз (2005) представили настраиваемые фильтры, реализованные с использованием емкостных переключателей для подключения последовательно-фиксированных конденсаторов. WiSpry производит антенные тюнеры для сотовых телефонов с цифровыми конденсаторами (Натараджан и др. ., 2011).

Емкостные контактные переключатели с параллельными пластинами в основном представляют собой конденсаторы переменной емкости. При подаче или снятии фиксированного напряжения емкость переключается между двумя значениями. Более высокий в активированном состоянии определяется размером контактных электродов, а также толщиной и диэлектрической проницаемостью диэлектрического материала. Когда переключатель отпускается, воздушный зазор, который включен последовательно с диэлектриком, определяет меньшее значение емкости.

Возможность настройки может быть получена путем подачи аналогового управляющего напряжения. При увеличении приложенного напряжения сила, индуцированная электрическим полем, отклоняет луч, уменьшая воздушный зазор и, следовательно, увеличивая емкость.Когда смещение составляет одну треть начального зазора, электростатическая сила становится выше, чем сила упругости, вызванная деформацией, и балка срывается вниз (Tilmans, 2002). Следовательно, теоретический диапазон настраиваемости ограничен максимальным увеличением на 50% по сравнению с низким значением емкости в верхнем положении. В изготовленных устройствах граничное поле и паразитная емкость вводят другие ограничения, и сообщалось о соотношении емкостей в диапазоне 1,42–1,27 (Rebeiz, 2003).

Более высокое отношение емкостей может быть получено при использовании конфигурации с четырьмя выводами с воздушным зазором между контактными электродами меньше, чем воздушный зазор между электродами срабатывания, чтобы достичь полного хода до того, как электрод срабатывания достигнет одной трети предел (Ниеминен и др. ., 2002). Zou и др. . (2001) изготавливали устройства на стекле Pyrex, используя напыленное золото в качестве нижнего электрода. Жертвенный слой был изготовлен из испаренной меди в два этапа, чтобы получить прокладку переменной высоты 2 и 3 мкм. Подвижная мембрана была изготовлена ​​из пермаллоя с гальваническим покрытием. После этого была использована сушилка для сверхкритического углекислого газа с влажным травлением меди, чтобы избежать прилипания.

Переменные конденсаторы с тремя пластинами были также описаны Dec и Suyama (2000), в которых использовался процесс с тремя слоями поликремния, разделенными оксидом кремния.Оксид удаляли влажным травлением HF с последующей сушкой над диоксидом углерода в сверхкритическом состоянии. Золото было нанесено на верхний слой поликремния для уменьшения сопротивления.

Конденсаторы переменной емкости также могут быть получены путем изменения площади перекрытия электродов. Роквелл продемонстрировал встречно-штыревые структуры, в которых подвижный подвешенный электрод перемещается по плоскости под действием электростатических сил, изменяющих площадь перекрытия относительно неподвижного электрода, получая коэффициент настройки 3 (Yao et al ., 1998). Устройства были изготовлены из кремния, начиная с пластины кремния на изоляторе (КНИ), имеющей 30 мкм кремния поверх прослойки оксида кремния. Встречно-штыревую структуру получали методом глубокого реактивного ионного травления (DRIE) с остановкой на оксиде. Чтобы уменьшить паразитные потери, подложку выборочно удаляли с задней стороны устройства на втором этапе DRIE. Оксид кремния удаляли HF и сверхкритической сушкой.

Благодаря использованию процесса склеивания и усовершенствованию конструкции, характеристики были дополнительно улучшены. После нанесения и формирования рисунка алюминиевого слоя на задней стороне устройства пластины SOI были прикреплены эпоксидной смолой к несущей стеклянной пластине и кремниевой подложке, а скрытый оксид полностью удален. Алюминий был нанесен и нанесен узор на верхней стороне, а кремний протравлен с помощью DRIE. Структуры были высвобождены путем изотропного травления эпоксидной смолы в кислородной плазме (Borwick et al ., 2003). Благодаря усовершенствованию процесса DRIE стало возможным увеличить толщину стержня конденсатора до 80 мкм.Коэффициент емкости 8,4 был получен при напряжении 8 В.

Конденсаторы, Часть 3 «Керамические конденсаторы [2]» ｜ Электроника ABC ｜ Журнал TDK Techno

Основные характеристики многослойных керамических конденсаторов для микросхем

Для правильного использования конденсаторов важно понимать их особые характеристики. В этом разделе объясняются некоторые из основных характеристик многослойных керамических конденсаторов для микросхем.

● Номинальное напряжение

Каждый конденсатор имеет определенный предел приложенного к нему напряжения. Номинальное напряжение относится к максимальному напряжению, которое может быть приложено во время постоянной работы, не вызывая проблем. Обычно номинальное напряжение указывается как постоянное напряжение, но для некоторых продуктов переменное напряжение также может быть указано как гарантированное значение.

● Ток утечки / сопротивление изоляции / пробой изоляции

Хотя конденсатор в принципе блокирует постоянный ток, на самом деле происходит небольшая утечка напряжения.Сопротивление изоляции – это величина, которая получается делением тока, протекающего в конденсаторе, на приложенное напряжение. Поскольку многослойные керамические конденсаторы микросхемы имеют высокое сопротивление изоляции, ток утечки не представляет проблемы в обычных приложениях. Однако при превышении номинального напряжения и дальнейшем повышении приложенного напряжения конденсатор в какой-то момент будет подвержен пробою изоляции.

● Tan δ (касательная дельта) ・ Q

В идеале конденсатор, используемый в цепи, не должен потреблять энергию, но в действительности такие факторы, как диэлектрические потери конденсатора и удельное сопротивление электродов и выводных проводов (известные как ESR: эквивалентное последовательное сопротивление), вызывают потерю энергии.Это проявляется в фазовом сдвиге тока, протекающего в конденсаторе. Разница фаз между напряжением, приложенным к конденсатору, и током в идеале составляет 90 градусов, но вышеупомянутые потери вызывают задержку более 90 градусов. Угол δ (угол потерь) этой задержки, выраженный тригонометрической функцией тангенса (положительное число), называется тангенсом δ (тангенс-дельта) или тангенсом диэлектрической проницаемости. Величина, обратная tan δ, известна как Q (добротность), которая является показателем производительности конденсатора в высокочастотном диапазоне.

● Тепловые характеристики емкости

Многослойные керамические чип-конденсаторы, широко используемые в электронных устройствах, можно разделить на две основные категории в зависимости от их типа диэлектрика: (1) тип с низкой диэлектрической постоянной и (2) тип с высокой диэлектрической постоянной. Они могут быть далее подразделены по тепловым характеристикам, спецификации, которая регулируется стандартами JIS (Японские промышленные стандарты) и EIA (Ассоциация электронной промышленности Америки).

● Характеристики смещения постоянного тока (характеристики напряжения постоянного тока)

Емкость керамического конденсатора также изменяется в зависимости от приложенного напряжения. При постоянном напряжении это свойство называется характеристиками смещения постоянного тока. У конденсаторов с низкой диэлектрической проницаемостью (тип 1) емкость практически не изменяется, но у конденсаторов с высокой диэлектрической проницаемостью (тип 2) с характеристиками «B» и особенно керамических конденсаторов с характеристиками «F» изменение является значительным.Это связано с тем, что в конденсаторах с высокой диэлектрической проницаемостью используется сегнетоэлектрическое вещество (например, BaTiO3), которое генерирует спонтанную поляризацию.
Керамический материал представляет собой поликристаллическое вещество, состоящее из большого количества кристаллических зерен. В сегнетоэлектрическом материале так называемые домены этих зерен расположены попеременно в противоположном направлении, тем самым компенсируя друг друга, так что спонтанная поляризация не возникает. По мере того как напряженность приложенного постоянного электрического поля увеличивается, диэлектрическая проницаемость сначала также увеличивается, поскольку ориентация спонтанной поляризации совпадает с ориентацией электрического поля. Однако, когда электрическое поле становится сильнее, выравнивание прекращается и достигается насыщение, в результате чего диэлектрическая проницаемость падает. Поэтому при применении смещения постоянного тока необходимо выбрать правильные параметры, принимая во внимание характеристики диэлектрика, а также рабочее напряжение и выдерживаемое напряжение. Кроме того, падение емкости, вызванное смещением постоянного тока, будет иметь тенденцию быть более выраженным в конденсаторах меньшего размера.

● Импеданс vs.АЧХ

Чем выше частота переменного тока, тем легче он проходит через конденсатор. В идеальном конденсаторе с увеличением частоты импеданс будет стремиться все ближе к нулю, но в действительности существует граница частоты, за которой сопротивление конденсатора снова возрастет. Следовательно, кривая зависимости сопротивления от частотной характеристики будет иметь V-образную форму (или U-образную форму). Это связано с тем, что ESL (эквивалентная последовательная индуктивность) конденсатора образует LC-резонансный контур с конденсатором.Частота внизу V-кривой называется собственной резонансной частотой (SRF). До этой частоты конденсатор функционирует как конденсатор, но в частотном диапазоне выше него он действует как индуктор. Значение Q также падает и становится равным нулю на собственной резонансной частоте. Поэтому параметры должны быть выбраны таким образом, чтобы конденсатор работал ниже собственной резонансной частоты.

Алюминиевые электролитические конденсаторы – Принципы

Как работают конденсаторы

На рис. 1 показаны основные концепции функционирования конденсаторов.

Между двумя металлическими электродами накладывается диэлектрический материал, и электрический заряд, пропорциональный напряжению, сохраняется в конденсаторе, когда напряжение подается на электроды.

Рисунок 1

«C» – емкость конденсатора. Емкость рассчитывается с использованием приведенного ниже уравнения как функция площади поверхности электродов (S), расстояния между электродами (t) и диэлектрической проницаемости диэлектрика (ξ).

В приведенной выше формуле ξ ₀ представляет диэлектрическую проницаемость свободного пространства (8,85 x 10- ¹² Ф / м)

Большую емкость можно получить, увеличив диэлектрическую проницаемость, увеличив площадь поверхности электрода (S) или уменьшив расстояние между электродами (t).

Диэлектрическая проницаемость слоя оксида алюминия в среднем составляет от 7 до 8. Наиболее частые значения диэлектрической проницаемости диэлектриков, используемых в конденсаторах, перечислены в таблице 1.

Таблица 1

Диэлектрический материал	Диэлектрическая постоянная	Диэлектрический материал	Диэлектрическая постоянная
Тонкая пленка из оксида алюминия	7–8	Фарфор (керамика)	10–120
Майлар	3,2	Полиэтилен	2. 5
Слюда	6–8	Пленка оксида тантала	10–20

Эффективная площадь поверхности алюминиевых электролитических конденсаторов может быть увеличена до 120 раз. За счет придания шероховатости поверхности алюминиевой фольги высокой степени чистоты этот процесс позволяет получать емкости, намного превышающие емкости конденсаторов других типов.

Обратите внимание, что конденсаторы обычно описываются в терминах первичного диэлектрического материала.Несколько примеров – «алюминиевый электролитический конденсатор» или «танталовый конденсатор».

К началу страницы

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Анод в алюминиевом электролитическом конденсаторе изготовлен из алюминиевой фольги высокой чистоты с тонкопленочным диэлектриком из оксида алюминия на поверхности. Конденсатор сконструирован с использованием электролитической бумаги, содержащей раствор электролита, и алюминиевой электродной фольги для контакта с катодом.

Толщина тонкой пленки оксида анода – это расстояние между электродами (t) на Рисунке 2 в разделе о том, как работают конденсаторы.Толщина тонкой пленки анодного оксида в алюминиевом электролитическом конденсаторе выбирается требуемым выдерживаемым напряжением. В небольшом конденсаторе может храниться большое количество заряда, потому что значение можно сделать очень маленьким. Это происходит из-за того, что значение площади поверхности электрода (S) может быть увеличено за счет придания поверхности шероховатости, а также из-за большой диэлектрической проницаемости (ξ).

Рисунок 2

1. Черновая обработка поверхности (травление)

В качестве сырой фольги для анода используется алюминиевая фольга высокой чистоты (минимальный уровень чистоты 99.99%), обычно толщиной от 50 до 100 мкм. В качестве материала катодной фольги используется алюминиевая фольга чистотой не менее 99% и толщиной от 15 до 60 мкм. Поскольку емкость пропорциональна площади поверхности электродов, эффективная площадь поверхности увеличивается за счет придания шероховатости (травления) поверхности алюминиевой фольги перед выращиванием диэлектрической пленки. Обычно шероховатость поверхности называется «травлением».

Существует два типичных процесса травления. В первом варианте алюминиевая фольга погружается в соляную кислоту (физическое травление).Вторичным вариантом является электролиз, при котором алюминий в качестве анода помещают в водный раствор соляной кислоты (электрохимическое травление). При электрохимическом травлении профиль травления будет варьироваться в зависимости от таких факторов, как форма волны электрического тока, состав раствора и температура. Метод травления можно определить по желаемой производительности конденсатора. Как правило, можно достичь множителей травления (отношения между площадью поверхности гладкой фольги и эффективной площадью поверхности протравленной фольги) примерно от 3 до 120.

Затем фольгу тщательно промывают водой. Любые остаточные ионы хлора на поверхности фольги после травления могут вызвать коррозию фольги и повредить конденсатор. После травления поверхность фольги может быть классифицирована в общих чертах, как показано ниже, по выбранному напряжению, при котором конденсатор функционирует должным образом. См. Увеличенное изображение поверхности на фотографии 1.

Фотография 1: Типы протравленной фольги

	Поверхность фольги (увеличение 3500 ×)	Поперечное сечение конденсатора (350-кратное увеличение)
Фольга низковольтная
Фольга высоковольтная

2.Формовка (анодное окисление)

Процесс «формовки» определяется созданием электроизоляционного оксида (для обеспечения выдерживаемого напряжения) на поверхности алюминия путем проведения анодного окисления в растворе электролита, используемом для выращивания. Полученная химическая пленка используется в качестве тонкой анодной пленки.

Анодное окисление, как показано на рисунке 3, происходит путем приложения напряжения к погруженной фольге, находящейся в растворе электролита, используемом для выращивания оксидной пленки.Обычно электролитический раствор представляет собой водный раствор, такой как борная кислота аммония, фосфат аммония или адипиновая кислота аммония.

Рисунок 3

Во время анодного окисления (электролиз постоянного тока) AL ₂ O ₃ образуется в результате реакции между водой и ионами алюминия Al ³⁺ . Толщина выращенной тонкой пленки почти пропорциональна приложенному напряжению] приблизительно от 1,0 до 1,4 нм на вольт. Химические реакции на анодной и катодной сторонах следующие.

Рисунок 4: Реакция окисления анода

На фотографиях 2 и 3 показан увеличенный вид оксидного слоя, образованного в результате анодного окисления.

Фотография 2: Низковольтная формирующая фольга

Фотография 3: Высоковольтная формовочная фольга

Фотография поверхности	Фотография поверхности

3.Электролит

Алюминиевые электролитические конденсаторы изготавливаются путем наслоения электролитической бумаги между анодной и катодной фольгами и последующего наматывания результата. Процесс изготовления электрода, обращенного к поверхности протравленной анодной фольги, чрезвычайно сложен. Следовательно, противоположный электрод создается путем заполнения конструкции электролитом. Благодаря этому процессу электролит по существу выполняет роль катода. Основные функциональные требования к электролиту следующие:

1. 1.Химически стабилен при контакте с материалами, используемыми в аноде, катоде и электролитической бумаге.
2. 2. Легко смачивает поверхности электрода.
3. 3. Электропроводящий.
4. 4.Обладает химической способностью защищать тонкую пленку оксида анода и компенсировать любые ее недостатки.
5. 5. Низкая летучесть даже при высоких температурах.
6. 6. Долговременная стабильность и характеристики, учитывающие такие факторы, как токсичность.

Выросший оксидный слой, образовавшийся из растворенного вещества и растворителя (электролита), в значительной степени контролирует работу алюминиевого электролитического конденсатора. Обычно используемые материалы компонентов показаны в Таблице 2.

Таблица 2: Пример состава электролита

		Тип	Типичное соединение	Химическая формула	Структурная формула
Растворитель		Гликоль	Этиленгликоль	C 2 H 6 O 2
		Лактон	γ-Бутиролактон	C 4 H 6 O 2
Растворенное вещество	Кислота	Алифатическая карбоновая кислота	Адипиновая кислота	C 6 H 10 O 4
		Ароматическая карбоновая кислота	Фталевая кислота	C 8 H 6 O 2
	База	Аммиак	Аммиак	NH 3
		Амин	Триэтиламин	C 6 H 15 N
		Амидин	Тетраметилимидазолиний	C 7 H 15 N 2

К началу страницы

Что такое емкостный преобразователь? – Определение, принцип, преимущества, недостатки и использование

Определение: Емкостной преобразователь используется для измерения смещения, давления и других физических величин.Это пассивный преобразователь, поэтому для работы ему требуется внешнее питание. Емкостной преобразователь работает по принципу переменной емкости. Емкость емкостного преобразователя изменяется по многим причинам, таким как перекрытие пластин, изменение расстояния между пластинами и диэлектрическая проницаемость.

Емкостной преобразователь содержит две параллельные металлические пластины. Эти пластины разделены диэлектрической средой, которая представляет собой воздух, материал, газ или жидкость. В обычном конденсаторе расстояние между пластинами фиксировано, но в емкостном преобразователе расстояние между ними варьируется.

Емкостной преобразователь использует электрическую величину емкости для преобразования механического движения в электрический сигнал. Входная величина вызывает изменение емкости, которая напрямую измеряется емкостным преобразователем.

Конденсаторы измеряют как статические, так и динамические изменения. Смещение также измеряется напрямую путем подсоединения измеримых устройств к подвижной пластине конденсатора. Он работает как в контактном, так и в бесконтактном режимах.

Принцип работы

Уравнения ниже выражают емкость между пластинами конденсатора

Где A – площадь перекрытия пластин в м ²
d – расстояние между двумя пластинами в метрах
ε – диэлектрическая проницаемость среды в Ф / м
ε _r – относительная диэлектрическая проницаемость
ε ₀ – диэлектрическая проницаемость свободного места

Принципиальная схема емкостного преобразователя с параллельными пластинами показана на рисунке ниже.

Изменение емкости происходит из-за физических переменных, таких как смещение, сила, давление и т. Д. Емкость преобразователя также изменяется в зависимости от изменения их диэлектрической проницаемости, что обычно связано с измерением уровня жидкости или газа.

Емкость преобразователя измеряется по мостовой схеме. Выходное сопротивление преобразователя равно

.

Где, C – емкость
f – частота возбуждения в Гц.

Емкостной преобразователь в основном используется для измерения линейного смещения.Емкостной преобразователь использует следующие три эффекта.

1. Изменение емкости преобразователя из-за перекрытия пластин конденсатора.
2. Изменение емкости связано с изменением расстояний между пластинами.
3. Емкость изменяется из-за диэлектрической проницаемости.

Для измерения смещения используются следующие методы.

1. Преобразователь, использующий изменение площади пластин – Уравнение ниже показывает, что емкость прямо пропорциональна площади пластин.Соответственно изменяется и емкость с изменением положения пластин.

Емкостные преобразователи используются для измерения больших перемещений от 1 мм до нескольких см. Площадь емкостного преобразователя изменяется линейно в зависимости от емкости и смещения. Изначально нелинейность в системе возникает из-за ребер. В противном случае он дает линейный отклик.

Емкость параллельных пластин равна

.

где x – длина перекрывающейся части пластин
ω – ширина перекрывающейся части пластин.

Чувствительность смещения постоянна, и поэтому она дает линейную зависимость между емкостью и смещением.

Емкостной преобразователь используется для измерения углового смещения. Он измеряется подвижными пластинами, показанными ниже. Одна из пластин преобразователя неподвижная, а другая подвижная.

Векторная диаграмма преобразователя показана на рисунке ниже.

Угловое перемещение изменяет емкость преобразователей.Емкость между ними максимальна, когда эти пластины перекрывают друг друга. Максимальное значение емкости выражается как

.

Емкость при угле θ выражается как,

θ – угловое смещение в радианах. Чувствительность к изменению емкости равна

.

180 ° – это максимальное значение углового смещения конденсатора.

2. Преобразователь, использующий изменение расстояния между пластинами. – Емкость преобразователя обратно пропорциональна расстоянию между пластинами.Одна пластина преобразователя неподвижна, а другая подвижна. Смещение, которое необходимо измерить, связано с подвижными пластинами.

Емкость обратно пропорциональна расстоянию, из-за которого конденсатор показывает нелинейный отклик. Такой тип преобразователя используется для измерения малых перемещений. Векторная диаграмма конденсатора представлена ​​на рисунке ниже.

Чувствительность преобразователя непостоянна и варьируется от места к месту.

Преимущество емкостного преобразователя

Ниже приведены основные преимущества емкостных преобразователей.

1. Для работы требуется внешнее усилие, поэтому он очень полезен для небольших систем.
2. Емкостной преобразователь очень чувствителен.
3. Обладает хорошей частотной характеристикой, поэтому используется для динамического исследования.
4. Преобразователь имеет высокое входное сопротивление, следовательно, они имеют небольшой эффект нагрузки.
5. Для работы требуется небольшая выходная мощность.

Недостатки емкостного преобразователя

Основные недостатки преобразователя следующие.

1. Металлические части преобразователей требуют изоляции.
2. Каркас конденсатора требует заземления для уменьшения влияния паразитного магнитного поля.
3. Иногда преобразователь демонстрирует нелинейное поведение из-за краевого эффекта, который контролируется с помощью защитного кольца.
4. Кабель, соединяющий датчик, вызывает ошибку.

Использование емкостного преобразователя

Ниже приведены варианты использования емкостного преобразователя.

1. Емкостной преобразователь используется для измерения как линейного, так и углового смещения. Он чрезвычайно чувствителен и используется для измерения очень малых расстояний.
2. Используется для измерения силы и давления. Сила или давление, которые должны быть измерены, сначала преобразуются в смещение, а затем смещение изменяет емкости преобразователя.
3. Он используется в качестве датчика давления в некоторых случаях, когда диэлектрическая проницаемость датчика изменяется в зависимости от давления.
4. Влажность газов измеряется емкостным датчиком.
5. Преобразователь использует механический модификатор для измерения объема, плотности, веса и т. Д.

Точность преобразователя зависит от изменения температуры до высокого уровня.

Объяснение

конденсаторов – Инженерное мышление

Объяснение конденсаторов

.Узнайте, как работают конденсаторы, где мы их используем и почему они важны.

Прокрутите вниз, чтобы посмотреть руководство YouTube.

Помните, что электричество опасно и может привести к летальному исходу. Вы должны быть квалифицированными и компетентными для выполнения электромонтажных работ. Не касайтесь клемм конденсатора, так как это может вызвать поражение электрическим током.

Что такое конденсатор?

Конденсатор и батарея

Конденсатор накапливает электрический заряд. Это немного похоже на батарею, за исключением того, что она по-другому накапливает энергию.Он не может хранить столько энергии, хотя может заряжаться и высвобождать свою энергию намного быстрее. Это очень полезно, поэтому конденсаторы можно встретить практически на каждой печатной плате.

Как работает конденсатор?

Я хочу, чтобы вы сначала представили водопроводную трубу, по которой течет вода. Вода будет течь, пока мы не закроем вентиль. Тогда вода не сможет течь.

Если после клапана мы позволим воде течь в резервуар, тогда резервуар будет хранить часть воды, но мы продолжаем получать воду, текущую из трубы.Когда мы закроем клапан, вода перестанет поступать в резервуар, но мы все равно будем получать постоянный приток воды, пока резервуар не опустеет. Как только резервуар снова наполнится, мы можем открывать и закрывать клапан, и до тех пор, пока мы не опорожняем резервуар полностью, мы получаем бесперебойную подачу воды из конца трубы. Таким образом, мы можем использовать резервуар для воды для хранения воды и сглаживания перебоев в подаче.

В электрических цепях конденсатор действует как резервуар для воды и накапливает энергию. Он может освободить его, чтобы сгладить перебои в подаче электроэнергии.

Если мы очень быстро выключим простую схему без конденсатора, то свет будет мигать. Но если мы подключим конденсатор в цепь, то свет будет оставаться включенным во время прерываний, по крайней мере, на короткое время, потому что теперь конденсатор разряжается и питает цепь.

Внутри основного конденсатора у нас есть две токопроводящие металлические пластины, которые обычно изготавливаются из алюминия или алюминия, как его называют американцы. Они будут разделены диэлектрическим изоляционным материалом, например керамикой.Диэлектрик означает, что материал поляризуется при контакте с электрическим полем. Мы скоро увидим, что это значит.

Внутри конденсатора

Одна сторона конденсатора подключена к положительной стороне схемы, а другая сторона – к отрицательной. На стороне конденсатора вы можете увидеть полоску и символ, указывающие, какая сторона отрицательного полюса, кроме того, отрицательная сторона будет короче.

Если подключить конденсатор к аккумулятору. Напряжение подталкивает электроны от отрицательной клеммы к конденсатору.Электроны будут накапливаться на одной пластине конденсатора, в то время как другая пластина, в свою очередь, выпустит несколько электронов. Электроны не могут проходить через конденсатор из-за изоляционного материала. В конце концов, конденсатор имеет такое же напряжение, что и батарея, и электроны больше не будут течь.

На одной стороне скопилось скопление электронов, это означает, что мы накопили энергию и можем высвободить ее, когда это необходимо. Поскольку на одной стороне больше электронов по сравнению с другой, и электроны заряжены отрицательно, это означает, что у нас есть одна сторона, которая является отрицательной, а другая – положительной, поэтому между ними существует разница в потенциале или разница напряжений.Мы можем измерить это мультиметром.

Что такое напряжение?

Напряжение похоже на давление: когда мы измеряем напряжение, мы измеряем разницу или разность потенциалов между двумя точками. Если вы представите трубу с водой под давлением, мы сможем увидеть давление с помощью манометра. Манометр также сравнивает две разные точки: давление внутри трубы по сравнению с атмосферным давлением снаружи трубы. Когда резервуар пуст, манометр показывает ноль, потому что давление внутри резервуара равно давлению снаружи резервуара, поэтому манометру не с чем сравнивать.Оба давления одинаковы. То же самое и с напряжением, мы сравниваем разницу между двумя точками. Если мы измеряем через батарею 1,5 В, то мы видим разницу в 1,5 В между каждым концом, но если мы измеряем один и тот же конец, мы читаем ноль, потому что разницы нет, это то же самое.

Хотите изучить основы электричества? НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ

Возвращаясь к конденсатору, мы измеряем и считываем разницу напряжений между ними из-за скопления электронов. Мы по-прежнему получаем это значение, даже когда отсоединяем аккумулятор.

Если вы помните, с магнитами противоположности притягиваются и притягиваются друг к другу. То же самое происходит с накоплением отрицательно заряженных электронов, они притягиваются к положительно заряженным частицам атомов на противоположной пластине, но никогда не могут добраться до них из-за изоляционного материала. Это притяжение между двумя сторонами представляет собой электрическое поле, которое удерживает электроны на месте, пока не появится другой путь.

Объяснение основ работы с конденсаторами

Если мы затем поместим в цепь небольшую лампу, теперь существует путь, по которому электроны могут течь и достигать противоположной стороны.Таким образом, электроны будут проходить через лампу, питая ее, и электроны достигнут другой стороны конденсатора. Это будет длиться недолго, пока количество электронов не выровняется с каждой стороны. Тогда напряжение равно нулю, поэтому нет толкающей силы и нет потока электронов.
Как только мы снова подключим аккумулятор, конденсатор начнет заряжаться. Это позволяет нам прервать подачу питания, и конденсатор будет обеспечивать питание во время этих прерываний.

Примеры

Мы везде используем конденсаторы.Они выглядят немного иначе, но их легко заметить. На печатных платах они имеют тенденцию выглядеть примерно так, и мы можем видеть их на инженерных чертежах вот так. Мы также можем получить конденсаторы большего размера, которые используются, например, в асинхронных двигателях, потолочных вентиляторах или установках кондиционирования воздуха, и мы можем даже получить такие огромные конденсаторы, которые используются для коррекции низкого коэффициента мощности в больших зданиях.

Пример обозначения конденсатора

На стороне конденсатора мы найдем два значения.Это будут емкость и напряжение. Мы измеряем емкость конденсатора в единицах фарад, которые мы показываем с заглавной буквы F, хотя обычно мы измеряем емкость конденсатора в микрофарадах, поэтому у нас есть микро-символ непосредственно перед ним, который выглядит примерно как буква U с хвостом.

Пример емкости

Другое значение – это наше напряжение, которое мы измеряем в вольтах с заглавной буквой V, значение напряжения на конденсаторе – это максимальное напряжение, которое может выдержать конденсатор.

Этот конденсатор рассчитан на определенное напряжение, и если я превышу это значение, он взорвется.

Пример напряжения конденсатора

Большинство конденсаторов имеют положительную и отрицательную клеммы. Нам нужно убедиться, что конденсатор правильно включен в схему.

Пример платы конденсатора

Почему мы их используем

Одно из наиболее распространенных применений конденсаторов в больших зданиях – коррекция коэффициента мощности. Когда в цепь помещается слишком много индуктивных нагрузок, формы сигналов тока и напряжения не будут синхронизироваться друг с другом, и ток будет отставать от напряжения.Затем мы используем батареи конденсаторов, чтобы противодействовать этому и вернуть их в соответствие.

Еще одно распространенное применение – сглаживание пиков при преобразовании переменного тока в постоянный.
Когда мы используем полный мостовой выпрямитель, синусоидальная волна переменного тока переворачивается, чтобы отрицательный цикл протекал в положительном направлении, это заставит схему думать, что она получает постоянный ток.

через GIPHY

Но одна из проблем этого метода – промежутки между пиками. Поэтому мы используем конденсатор, чтобы выделять энергию в цепь во время этих прерываний, и это сгладит подачу питания, чтобы она больше походила на постоянный ток.

Как измерить емкость мультиметром

Мы можем измерить емкость и накопленное напряжение с помощью мультиметра. Не все мультиметры имеют функцию измерения емкости.

Вы должны быть очень осторожны с конденсаторами, поскольку они накапливают энергию и могут сохранять высокие значения напряжения в течение длительного времени, даже когда они отключены от цепи. Чтобы проверить напряжение, мы переключаемся на постоянное напряжение на нашем измерителе, а затем подключаем красный провод к положительной стороне конденсатора, а черный провод – к отрицательной стороне.Если мы получаем показание в несколько вольт или более, мы должны разрядить его, безопасно подключив клеммы к резистору и продолжая считывать напряжение. Мы хотим убедиться, что он упал до диапазона милливольт, прежде чем обращаться с ним, иначе мы можем получить электрический ток.

Для измерения емкости мы просто переключаем измеритель на функцию конденсатора. Подключаем красный провод к положительной стороне, а черный провод к отрицательной стороне. После небольшой задержки счетчик покажет нам показания.Вероятно, мы получим значение, близкое к заявленному, но не точное.

Например, этот показатель рассчитан на 1000 микрофарад, но мы читаем около 946.

Пример показания 1000 мкФ на конденсаторе

Этот конденсатор рассчитан на 33 мкФ, но мы измеряем около 36.

Пример конденсатора

---

.