Конденсаторы для электроустановок переменного тока. Электролитический конденсатор в цепи переменного токаКонденсатор электролитическийВ повседневной жизни каждый человек пользуется преобразователями напряжения, адаптерами и блоками питания. Но, мало кто задумывается, что главную функцию в перечисленных устройствах выполняют конденсаторы. Его в народе еще называют «электролитами». Их главной особенностью являются небольшие габариты и способность накапливать заряд до уровня своей емкости. В электротехнике применяют на практике разные типы конденсаторов В области радиотехники и электрики конденсатором электролитическим называют элемент с оболочкой диэлектрика, сделанной из оксида металла, называемым анодом, и внутренней емкостью для накопления заряда, называемой катодом. За счет такого свойства они имеют широкое применение в электротехнических приборах и радиоустройствах. Конденсаторы присутствуют в схемах радиоприемников, телевизоров, стиральных машин, кондиционеров, компьютерной техники и во многих других приборах. История появления и развитияВ 1875 году ученый из Франции Eugène Adrien Ducretet открыл электрохимический процесс в некоторых металлах. Образцами исследования стали тантал, ниобий, цинк, титан, кадмий, алюминий, сурьма и другие. Указанные образцы употреблялись в виде анода (положительного полюса средства питания). Под действием электрического поля на их поверхностями появлялся слой оксида, имеющий вентильные характеристики. В 1896 году ученый Карол Поллак направил в бюро по выдаче патентов заявку на придумывание конденсатора. Он доказал собственным элементом, что электрохимические процессы должны обладать определенной полярностью на границе металла с диэлектриком для формирования оксидного образования. Несоблюдение такой полярности приводит к диэлектрическим потерям и короткому замыканию. В России длительное время считалось изготовление электролитических конденсаторов экономически не выгодным. Хотя в научных изданиях было много доводов, какие можно применить технологии для наладки производства. Первые серьезные наработки в вопросе выпуска электролитических конденсаторов появились в нашем государстве в 1931 году. Их емкость была заполнена жидким электролитом. Сегодня производство данных элементов поставлено на широкий поток. Изготовлением электролитических конденсаторов занимаются многие фирмы с мировым именем. Варианты конденсаторов по применениюКак известно из школьной программы физики, конденсаторы – это полярные приспособления. Они начинают функционировать при направлении тока в одном направлении. Поэтому на практике их включают в схемы с цепями неизменного или пульсирующего напряжения. Применение в цепях неизменного напряженияСвойства конденсатора такой конструкции используют:
Каждая электронная схема работает с помощью конденсаторов В цепях неизменного напряжения с пульсирующим наложениемХарактеристики конденсаторов в цепях постоянного напряжения с пульсирующим наложением применяют:
Назначение в схемах изменяемого напряженияДля схем переменного тока производителями конденсаторов созданы элементы, имеющие неполярную емкость. В своей конструкции они имеют дополнительные элементы и увеличенные габариты. Они бывают разной ёмкости, наполненной концентрированными щелочными веществами и кислотами. Они применяются:
По способу заполнения переменный конденсатор делится на виды:
Анод электролитических конденсаторов изготавливается из фольги алюминия, ниобия или тантала. Конденсатор с переменной емкостью оксидно-полупроводникового вида имеет катод в виде шара полупроводника, нанесенного на оксидный слой. Конструкция конденсаторовРазного типа и размеров конденсаторы сделаны из двух элементов – это обкладки и емкость (расстояние между обложками), заполненное диэлектрическим веществом. Емкость считается по формуле: C = ee0S/d, где:
Каждый вид конденсатора имеет стандартную конструкцию Особенность электролитических конденсаторов заключается в том, что они содержат слой электролитического вещества между двумя обложками из фольги, где одна из них покрыта пленкой полупроводникового оксида. Такие электролиты имеют внутри обкладки, сложены вместе с разделяющим бумажным слоем, пропитанным электролитом. От ее толщины зависит емкость конденсатора. Верхний шар покрыт также разделительным бумажным слоем. Все в комплекте свернуто «в трубочку» и находится в металлическом корпусе. По краям фольги припаяны металлические пластинки в виде контактов. Они предназначены для соединения с другими элементами схемы. Причем вывод с положительным потенциалом покрыт оксидным шаром. Функцию катода выполняет слой электролита, соединенный со второй обкладкой. С помощью электрохимической коррозии поверхности обкладки (рифление) в процессе изготовления увеличивают площадь обкладки. С помощью такой технологии создаются конденсаторы большой емкости. Обычно рассматриваемый элемент безаварийно функционирует при нормальной температуре и неискаженном напряжении. Например, при увеличении напряжения выше нормы происходит образование нового слоя оксидов, сопровождаемое выделением тепла и газообразованием. В результате давление в корпусе резко возрастает, и его прочность не в силах справиться с такой ёмкостью. Это может привести к взрыву и разрушению других элементов цепи. Многие фирмы изготавливают конденсаторы с защитной мембраной. Она разламывается под действием образования газов и блокирует взрыв. Маркировка таких конденсаторов заключается в нанесении насечки в виде буквы «Т», «Y» или знака «+». Дешифрование цифр и букв на поверхности изделияДля правильной расшифровки обозначений на корпусе разных элементов требуется знать единицы измерения. Для конденсаторов следует запомнить, что емкость измеряется в фарадах (Ф). Она имеет такие соотношения:
Для расшифровки нужно знать единицы измерения Маркировка конденсаторов больших параметров указывается прямо на корпусе элемента. В некоторых конструкциях надписи имеют разные обозначения. В таких случаях лучше ориентироваться по значениям, указанным выше. На некоторых модификациях маркировка нанесена заглавными буквами. Например, вместо 1мФ стоит МF. Также можно встретить, что маркировка содержит набор букв fd, что означает фарад. Кроме этого в шифре содержится информация, допускающая отклонение от номинала в процентном соотношении. Например, если маркировка содержит 6000uF + 50%-70%, то следует понимать, что это отличается от заданного номинала на 50%-70%. То есть можно применять конденсатор на 9000uF или на 1800uF. Если проценты отсутствуют, то требуется найти букву. Обычно она выглядит отдельным от емкости обозначением. Каждая буква допускает отклонение от номинала. После определения номинала и разрешенной погрешности нужно перейти к определению значения напряжения. Оно обозначается цифрами совместно с буквами, такими как V, VDC, WV или VDCW. Обозначение WV означает рабочее напряжение. Цифры указывают на максимальные разрешенные допуски. Важно знать! Если на поверхности нет значения, указывающего номинал напряжения, то такие конденсаторы можно применять в низковольтных цепях схемы. Также нужно запомнить, что конденсаторы, работающие на переменном напряжении, нельзя использовать в схемах постоянного напряжения, и наоборот. Для определения полярности выводов на корпусе нанесены знаки «+» и «–». Если их нет, то конденсатор подключается в цепь любой стороной. Расшифровка конденсатора требует нестандартного подхода и определенных знаний Цифровая расшифровкаЦифры на корпусе имеют собственную расшифровку. Когда указаны только две цифры и одна буква, то сочетание цифр указывают на емкость. Все остальные кодировки нужно понимать с нестандартным подходом. Они в основном зависят от конструкции элемента. Третья цифра является множителем нуля. Поэтому расшифровка выполняется по конечной цифре. Если она находится в пределе от 0 и до 6, то к первым цифрам прибавляются нули в числе указанной третьей цифры. Например, 373 означает 37000. Когда последняя цифра выходит за предел 0-6, например, стоит 8, то первая цифра должна умножиться на 0,01. Таким образом, шифр 378 обозначает 0,37. Когда в конце стоит цифра 9, то сочетание первых двух цифр умножается на 0,1. Обозначение 379 нужно читать как 3,7. Когда из сочетания цифр с емкостью все понятно, то нужно знать единицу измерения. Важно помнить! Маленькие конденсаторы измеряются в пикофарадах, а большие элементы – в микрофарадах. Буквенная кодировкаБукву R в первых двух символах следует понимать под обозначением запятой, применяемой в обозначении десятичной дроби. Например, шифр 4R1 читается как 4,1 пФ. Если в маркировке содержаться буквы p, n или u, то их тоже следует менять на запятую. Например, n61 означает 0,61 нано фарад. Смешанная маркировкаВ такой код на корпусе конденсатора входят буквы и цифры, чередуя друг друга. Обычно это наносится по схеме «буква – цифра – буква». Первая буква указывает на рабочую температуру надежного состояния конденсатора. Вторая цифра – это предел допустимой температуры. Третья буква означает изменение емкости в пределе от минимальной температуры и до максимальной допустимой температуры. Если стоит буква «А», то это точный показатель. Его погрешность равна 0,1%. При наличии буквы «V» показатель емкости колеблется в пределе 22%-82%. Очень часто встречаются конденсаторы с буквой «R», что означает 15% отклонения емкости от изменения температуры. Изменение параметров в процессе эксплуатацииЧтобы понимать, какие хорошие конденсаторы, а какие нет, нужно знать общие характеристики, и помнить, как параметры зависят друг от друга. Например, способность в рабочем режиме кпе выделять газы требует при монтаже схемы создавать запас допустимого напряжения в пределе 0,5-0,6 его значения. Особенно это важно, когда схема функционирует в среде с повышенным температурным режимом. С использованием конденсатора в цепях меняющегося тока обязательно учитывается зависимость от рабочей частоты. Обычно рабочая частота меняющегося напряжения не должна отклоняться от 50 Гц. Для более высоких частот нужно включать конденсаторы с более низким допустимым напряжением. В обратном случае будет появляться сильный нагрев диэлектрика, что приведет к разрыву корпуса. Элементы с большой емкостью и малыми значениями токов утечки способны длительно сохранять заряд. Поэтому важно для безопасности параллельно подключать резистивный элемент с сопротивлением не меньше 1 Мом и мощностью 0,5 Вт. Электрические конденсаторы служат для накопления электрической энергии. Без них не будет функционировать ни одна схема радио,- и телевизионного приемника. Появление микросхем изменила функцию конденсаторов. Многие из них изготавливаются в интегрированном виде. ВидеоОцените статью:elquanta.ru Особенности применения электролитических конденсаторовЭлектролитические конденсаторы являются низкочастотными элементами электрической цепи и, в основном, они служат для сглаживания пульсирующего тока в цепях выпрямителей переменного тока. Кроме этого, электролитические конденсаторы широко используются в звуковоспроизводящей технике. Электролитические конденсаторы разделяют пульсирующий ток (ток звуковой частоты + постоянная составляющая) на переменную составляющую тока звуковой частоты, которая подаётся на следующий каскад усиления и постоянную составляющую, которая не поступает на последующий каскад усиления. В связи с тем, что электролитические конденсаторы полярны, при работе на их обкладках должно поддерживаться не изменяющее знака напряжение, что является недостатком электролитических конденсаторов. Включение конденсатора с обратной к рабочей полярности дает увеличение тока утечки, деградации параметров, и, даже, может привести к взрыву конденсатора при достаточной мощности цепи. По этой причине, их можно применять только в цепях где полярность напряжения на конденсаторе неизменна (с пульсирующим или постоянным напряжением). Электролиты обладают заметным последовательным сопротивлением, которое может достигать значения порядка 1 Ом, а его значение возрастает с ростом рабочей частоты. Причина этого эффекта — сравнительно низкая проводимость и подвижность ионов электролита. Широко распространённые алюминиевые конденсаторы по сравнению с другими конденсаторами имеют некоторые специфические свойства, которые следует учитывать при их использовании. За счёт того, что алюминиевые обкладки электролитических конденсаторов скручивают для помещения в цилиндрический корпус, образуется индуктивность, которая во многих случаях нежелательна. На верхней части цилиндрического корпуса радиальных электролитических конденсаторов нанесена защитная насечка — клапан. Дело в том, что если на электролит воздействует переменное напряжение, то конденсатор сильно разогревается и жидкий электролит расширяется. Корпус конденсатора может лопнуть. Поэтому на корпусе и наносится защитный клапан, чтобы под действием избыточного давления он предотвратил взрыв конденсатора, выпустив закипающий электролит наружу. Из-за невозможности достичь достаточной герметизации корпуса, жидкий электролит со временем высыхает. При этом теряется ёмкость конденсатора. Также высыханию электролита способствует нагрев. Поэтому на корпусе практически любого электролитического конденсатора указывается допустимый диапазон рабочей температуры. Например, от −55 до +105 °C. Вышедший из строя электролитический конденсатор часто служит причиной неисправности бытовой радиоэлектронной техники. led-stars.com Конденсаторы для электроустановок переменного тока - СтатьиВ статье «Конденсаторы: назначение, устройство, принцип действия» было рассказано об электролитических конденсаторах. В основном они применяются в цепях постоянного тока, в качестве фильтрующих емкостей в выпрямителях. Также без них не обойтись в развязывающих цепочках питания транзисторных каскадов, стабилизаторах и транзисторных фильтрах. При этом, как было сказано в статье, постоянного тока они не пропускают, а на переменном работать вовсе не хотят.
Для цепей переменного тока существуют неполярные конденсаторы, причем, множество их типов говорит о том, что условия работы очень разнообразные. В тех случаях, когда требуется высокая стабильность параметров, а частота достаточно высокая, применяются конденсаторы воздушные и керамические. К параметрам таких конденсаторов предъявляются повышенные требования. В первую очередь это высокая точность (маленький допуск), а также незначительный температурный коэффициент емкости ТКЕ. Как правило, такие конденсаторы ставятся в колебательных контурах приемной и передающей радиоаппаратуры. Если же частота невелика, например, частота осветительной сети или частоты звукового диапазона, то вполне возможно применение бумажных и металлобумажных конденсаторов. Конденсаторы с бумажным диэлектриком имеют обкладки из тонкой металлической фольги, чаще всего алюминиевой. Толщина обкладок колеблется в пределах 5…10мкм, что зависит от конструкции конденсатора. Между обкладками вложен диэлектрик из конденсаторной бумаги, пропитанной изоляционным составом. В целях повышения рабочего напряжения конденсатора бумага может быть положена в несколько слоев. Весь этот пакет скручивается, как ковровая дорожка, и помещается в корпус круглого или прямоугольного сечения. При этом, конечно, от обкладок делаются выводы, а корпус такого конденсатора ни с чем не соединен. Бумажные конденсаторы используются в низкочастотных цепях при больших рабочих напряжениях и значительных токах. Одно из таких очень распространенных применений - включение трехфазного двигателя в однофазную сеть. В металлобумажных конденсаторах роль обкладок выполняет распыленный в вакууме на конденсаторную бумагу тончайший слой металла, все того же алюминия. Конструкция конденсаторов такая же, как и бумажных, правда, габариты намного меньше. Область применения обоих типов примерно одинакова: цепи постоянного, пульсирующего и переменного тока. Конструкция бумажных и металлобумажных конденсаторов, кроме емкости, обеспечивает этим конденсаторам еще и значительную индуктивность. Это приводит к тому, что на какой-то частоте бумажный конденсатор превращается в резонансный колебательный контур. Поэтому такие конденсаторы применяются лишь на частотах не более 1МГц. На рисунке 1 показаны бумажные и металлобумажные конденсаторы, выпускавшиеся в СССР.
Рисунок 1. Бумажные и металлобумажные конденсаторы для цепей переменного тока Старинные металлобумажные конденсаторы имели свойство самовосстановления после пробоя. Это были конденсаторы типов МБГ и МБГЧ, но теперь их заменили конденсаторы с керамическим или органическим диэлектриком типов К10 или К73. В некоторых случаях, например, в аналоговых запоминающих устройствах, или по другому, устройствах выборки-хранения (УВХ) к конденсаторам предъявляются особые требования, в частности, малый ток утечки. Тогда на помощь приходят конденсаторы, диэлектрики которых выполнены из материалов с высоким сопротивлением. В первую очередь это фторопластовые, полистирольные и полипропиленовые конденсаторы. Несколько меньшее сопротивление изоляции у слюдяных, керамических и поликарбонатных конденсаторов. Эти же конденсаторы используются в импульсных схемах, когда требуется высокая стабильность. В первую очередь для формирования различных временных задержек, импульсов определенной длительности, а также для задания рабочих частот различных генераторов. Чтобы временные параметры схемы были еще более стабильны, в некоторых случаях рекомендуется использовать конденсаторы с повышенным рабочим напряжением: ничего плохого нет в том, чтобы в схему с напряжением 12В установить конденсатор с рабочим напряжением 400 или даже 630В. Места такой конденсатор займет, конечно, побольше, но и стабильность работы всей схемы в целом тоже увеличится.
Электрическая емкость конденсаторов измеряется в Фарадах Ф (F), но это величина очень большая. Достаточно сказать, что емкость Земного шара не превышает 1Ф. Во всяком случае, именно так написано в учебниках физики. 1 Фарада это емкость, при которой при заряде q в 1 кулон разность потенциалов (напряжение) на обкладках конденсатора составляет 1В. Из только что сказанного следует, что Фарада величина очень большая, поэтому на практике чаще используются более мелкие единицы: микрофарады (мкФ, µF), нанофарады (нФ, nF) и пикофарады (пФ, pF). Эти величины получаются с помощью использования дольных и кратных приставок, которые показаны в таблице на рисунке 2. Рисунок 2. Современные детали становятся все меньше, поэтому не всегда удается на них нанести полную маркировку, все чаще пользуются различными системами условных обозначений. Все эти системы в виде таблиц и пояснений к ним можно найти в интернете. На конденсаторах, предназначенных для SMD монтажа, чаще всего не ставится вообще никаких обозначений. Их параметры можно прочитать на упаковке. Для того, чтобы выяснить, как ведут себя конденсаторы в цепях переменного тока, предлагается проделать несколько простейших опытов. При этом, каких-то особых требований к конденсаторам не предъявляется. Вполне подойдут самые обычные бумажные или металлобумажные конденсаторы. Конденсаторы проводят переменный ток Чтобы убедиться в этом воочию, достаточно собрать несложную схему, показанную на рисунке 3.
Рисунок 3. Сначала надо включить лампу через конденсаторы C1 и C2, соединенные параллельно. Лампа будет светиться, но не очень ярко. Если теперь добавить еще конденсатор C3, то свечение лампы заметно увеличится, что говорит о том, что конденсаторы оказывают сопротивлению прохождению переменного тока. Причем, параллельное соединение, т.е. увеличение емкости, это сопротивление снижает. Отсюда вывод: чем больше емкость, тем меньше сопротивление конденсатора прохождению переменного тока. Это сопротивление называется емкостным и в формулах обозначается как Xc. Еще Xc зависит от частоты тока, чем она выше, тем меньше Xc. Об этом будет сказано несколько позже. Другой опыт можно проделать используя счетчик электроэнергии, предварительно отключив все потребители. Для этого надо соединить параллельно три конденсатора по 1мкФ и просто включить их в розетку. Конечно, при этом надо быть предельно осторожным, или даже припаять к конденсаторам стандартную штепсельную вилку. Рабочее напряжение конденсаторов должно быть не менее 400В. После этого подключения достаточно просто понаблюдать за счетчиком, чтобы убедиться, что он стоит на месте, хотя по расчетам такой конденсатор эквивалентен по сопротивлению лампе накаливания мощностью около 50Вт. www.alprof.info Конденсаторы в цепи переменного токаИз этой большой темы мы здесь рассмотрим только самое необходимое. В дальнейшем мы будем иметь дело в основном с цепями постоянного тока или низкой частоты, и углубленное изучение поведения компонентов при высокой частоте нам не потребуется. В предыдущей фразе слова «низкой частоты» нужно понимать условно, и вот почему: любой перепад напряжения (например, при включении или выключении питания) есть импульс высокой частоты, и тем она выше, чем быстрее происходит сам процесс снижения или повышения напряжения. Если представить себе фронт импульса постоянного тока как сумму гармонических (то есть синусоидальных) колебаний*, то импульс этот предстанет перед нами, как сумма колебаний, начиная сверху с той частоты, при которой происходило бы наблюдающееся нами на деле нарастание (или спад) напряжения импульса, если бы сигнал был чисто гармонический. То есть если импульс строго прямоугольный, то эта самая верхняя частота должна быть равна бесконечности, чего на деле, конечно, не бывает, поэтому реальные импульсы всегда не строго прямоугольны. Прохождение прямоугольных импульсов через конденсаторы и резисторы мы рассмотрим далее, а пока изучим поведение конденсаторов в цепях с обычным синусоидальным переменным током. Постоянный ток конденсатор не пропускает по определению — так как представляет собой разрыв в цепи. Однако переменный ток через него протекает — при этом происходит постоянный перезаряд конденсатора, так как напряжение все время изменяется по величине и полярности. Поэтому конденсатор в цепи переменного тока можно представить себе, как некое сопротивление— чем ниже емкость конденсатора, и чем ниже частота, тем выше величина этого условного сопротивления, которую можно подсчитать по формуле R = \l2nfC (если емкость С выражена в фарадах, а частота/в герцах, то сопротивление получится в омах). В пределе конденсаторы очень малой емкости (которые представляют собой, как мы выяснили, почти все пары проводников на свете) будут выглядеть, как полные разрывы в цепи и ток в этой цепи будет исчезающе мал. Сам по себе конденсатор в такой цепи энергии не потребляет (в отличие от обычного резистора), потому его сопротивление переменному току называют еще реактивным — в то время, как обычное резистивное сопротивление называют активным (не путать с активными и пассивными компонентами схем, о которых шла речь в начале главы). Понять, почему так происходит, можно, если нарисовать графики тока и напряжения в цепи с конденсатором — ток опережает напряжение по фазе ровно на 90*2, поэтому их произведение, которое и есть потребляемая мощность по закону Джоуля-Ленца, в среднем равно нулю — можете проверить! Однако если в цепи присутствуют еще и обычные резисторы (а, как мы знаем, они всегда присутствуют — взять хотя бы сопротивление проводов), то этот реактивный ток приведет ко вполне материальным потерям на их нагревание — именно поэтому, как мы упоминали в главе 4, линии электропередач выгоднее делать на постоянном токе. Дифференцирующие и интегрирующие цепиЕсли подать на вход цепи, состоящей из резистора R и конденсатора С, прямоугольный импульс напряжения, то результат будет различным в зависимости от включения R и С. Переходные процессы в таких цепях подчиняются основным закономерностям, представленным на рис. 5.7, но имеют и свою специфику. На рис. 5.9 показаны два способа включения RC-цепочки в цепь с прямоугольными импульсами на входе (здесь они не такие, как на рис. 4.6, б, а однополярные, то есть напряжение меняется по величине, но от потенциала «земли» до напряжения источника питания). Такое включение называется дифференцирующей цепочкой или фильтром высоких частот— потому что оно пропускает высокочастотные составляющие, полностью отрезая постоянный ток. Чем больше постоянная времени RC в этой схеме, тем ниже частота, которая может быть пропущена без изменений — в пределе импульсы высокой частоты пройдут почти неизмененными. Наоборот, если постоянную времени уменьшать, то пики на графике будут все больше утончаться. Этим эффектом широко пользуются для выделения фронтов и спадов прямоугольных импульсов (см. главу 16), Так как через эти схемы постоянная составляющая напряжения не проходит, то полученные импульсы привязаны к выходному потенциалу схемы— в зависимости от того, куда подключен резистор. На графиках на рис. 5.9 резистор подключен к «земле» {а) или к источнику питания (б), потому и для выходного напряжения базовым будет либо нулевой потенциал, либо потенциал источника (при этом амплитуда импульсов будет такой, как у входного напряжения). Но в принципе вы можете подключать резистор на выходе такой схемы к любому потенциалу: она все равно передаст только переменную составляющую (мы еще с этим столкнемся при конструировании звукового усилителя).
Рис. 5.9. Дифференцирующие цепочки: а — при подключении резистора к нулевому потенциалу; б— к потенциалу источника питания Этим широко пользуются при необходимости формирования двуполярного напряжения из имеющегрся однополярного или для умножения напряжения — если выходное напряжение на рис. 5.9, б пропустить через выпрямитель и сглаживающий фильтр низкой частоты (см. далее, а также главу 9), то на выходе получится напряжение выше, чем напряжение питания, причем в отсутствие нагрузки оно будет в точности вдвое превышать исходное напряжение («удвоитель напряжения»). Иногда этот эффект вреден — подачей отрицательного или превышающего потенциал источника питания напряжения можно вывести из строя компоненты схемы (о защите от этого см. главы 11 и 16), А интегрирующая цепочка (фильтр нижних частот) получается из схем рис. 5.9, если в них R и С поменять местами. График выходного напряжения будет соответствовать рис. 5.10. Такие цепочки, наоборот, пропускают постоянную составляющую, в то время как высокие частоты будут отрезаться. Если в такой цепочке увеличивать постоянную времени RC, то график будет становиться все более плоским — в пределе пройдет только постоянная составляющая (которая для случая рис. 5.10 равна среднему значению исходного напряжения, то есть ровно половине его амплитуды). Этим широко пользуются при конструировании вторичных источников питания, в которых нужно отфильтровать переменную составляющую сетевого напряжения (см. главу 9), Интегрирующими свойствами обладает и обычный кабель из пары
Рис. S.10. Интегрирующая цепочка и ее график выходного напряжения в одном масштабе с входным проводов, о котором мы упоминали ранее, потому-то и теряются высокие частоты при прохождении сигнала через него. nauchebe.net Конденсаторы и цепи переменного токаОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ Конденсаторы и цепи переменного тока Коль скоро мы начинаем рассматривать изменяющиеся сигналы напряжения и тока, нам необходимо познакомиться с двумя очень занятными элементами, которые не находят применения в цепях постоянного тока, - речь идет о конденсаторах и индуктивностях. Скоро вы убедитесь, что эти компоненты вместе с резисторами являются основными элементами пассивных линейных цепей, составляющих основу почти всей схемотехники. Особенно следует подчеркнуть роль конденсаторов - без них не обходится почти ни одна схема. Они используются при генерации колебаний, в схемах фильтров, для блокировки и шунтирования сигналов. Их используют в интегрирующих и дифференцирующих схемах. На основе конденсаторов и индуктивностей строят схемы формирующих фильтров для выделения нужных сигналов из фона. Некоторые примеры подобных схем вы найдете в этой главе, а еще большее число интересных примеров использования конденсаторов и индуктивностей встретится вам в последующих главах. Приступим к более детальному изучению конденсаторов. Явления, протекающие в конденсаторе, описываются математическими зависимостями, поэтому читателям, которые имеют недостаточную подготовку в области математики, полезно прочитать приложение Б. Не огорчайтесь, если некоторые детали не будут сразу вполне понятны, главное - это общее понимание вопроса. 1.12. КонденсаторыКонденса рис. 1.27. -это устройство, имеющее два вывода и обладающее следующим свойством: Q = CU Конденсатор, имеющий емкость С фарад, к которому приложено напряжение U вольт, накапливает заряд Q кулон на одной пластине и - Q на другой.
Рис. 1.27. Конденсатор. В первом приближении конденсаторы - это частотно-зависимые резисторы. Они позволяют создавать, например, частотно-зависимые делители напряжения. Для решения некоторых задач (шунтирование, связывание контуров) больших знаний о конденсаторе и не требуется, другие задачи (построение фильтров, резонансных схем, накопление энергии) требуют более глубоких знаний. Например, конденсаторы не рассеивают энергию, хотя через них и протекает ток, - дело в том, что ток и напряжение на конденсаторе смещены друг относительно друга по фазе на 90°. Продифференцировав выражение для Q (см. приложение Б), получим I = C(dU/dt). Итак, конденсатор - это более сложный элемент, чем резистор; ток пропорционален не просто напряжению: а скорости изменения напряжения. Если напряжение на конденсаторе, имеющем емкость 1 Ф, изменится на 1 В за 1 с, то получим ток 1 А. И наоборот, протекание тока 1 А через конденсатор емкостью 1 Ф вызывает изменение напряжения на 1 В за 1 с. Емкость, равная одной фараде, очень велика, и поэтому чаще имеют дело с микрофарадами (мкФ) или пикофарадами (пФ). Для того чтобы сбить с толку непосвященных, на принципиальных схемах иногда опускают обозначения единиц измерения. Их приходится угадывать из контекста. Например, если подать ток 1 мА на конденсатор емкостью 1 мкФ, то напряжение за 1 с возрастет на 1000 В. Импульс тока продолжительностью 10 мс вызовет увеличение напряжения на конденсаторе на 10 В (рис. 1.28).
Рис. 1.28. Напряжение на конденсаторе изменяется, когда через него протекает ток. Промышленность выпускает конденсаторы разнообразных форм и размеров, через некоторое время вы познакомитесь с наиболее распространенными представителями этого обширного семейства. Простейший конденсатор состоит из двух проводников, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга (но не соприкасающихся между собой), настоящие простейшие конденсаторы имеют именно такую конструкцию. Чтобы получить большую емкость, нужны большая площадь и меньший зазор между проводниками, обычно для этого один из проводников покрывают тонким слоем изолирующего материала (называемого диэлектриком), для таких конденсаторов используют, например, алитированную (покрытую алюминием) майларовую пленку. Широкое распространение получили следующие типы конденсаторов: керамические, электролитические (изготовленные из металлической фольги с оксидной пленкой в качестве изолятора), слюдяные (изготовленные из металлизированной слюды). Каждому типу конденсаторов присущи свои качества, краткий перечень отличительных особенностей каждого типа конденсаторов приведен мелким шрифтом в разделе «Конденсаторы». В общем можно сказать, что для некритичных схем подходят керамические и майларовые конденсаторы, в схемах, где требуется большая емкость, применяются танталовые конденсаторы, а для фильтрации в источниках питания используют электролитические конденсаторы. Параллельное и последовательное соединение конденсаторов. Ёмкость нескольких параллельно соединенных конденсаторов равна сумме их емкостей. Нетрудно в этом убедиться: приложим напряжение к параллельному соединению, тогда: CU = Q = Q1 + Q2 + Q3 + ... = = С1U + C2U + C3U + ... = = (C1 + C2 + C3 + ...)U или C = C1 + C2 + C3 + ... Для последовательного соединения конденсаторов имеем такое же выражение, как лдя параллельного соединения резисторов: C = 1/1/C1 + 1/C2 + 1/C3. В частном случае для двух конденсаторов: C = C1C2/(C1 + C2). Ток, заряжающий конденсатор (I = CdU/dt),обладает некоторыми особыми свойствами. В отличие от тока, протекающего через резистор, он пропорционален не напряжению, а скорости изменения напряжения (т.е. его производной по времени).Далее, мощность (U умноженное на I), которая связана с протекающим через конденсатор током, не обращается в тепло, а сохраняется в виде энергии внутреннего электрического поля в конденсаторе. При разряде конденсатора происходит извлечение энергии. Эти занятные свойства мы рассмотрим с другой точки зрения, когда будем изучать реактивность (начиная с разд. 1.18.). КОНДЕНСАТОРЫ Промышленностью выпускается много типов конденсаторов. Здесь перечислены основные преимущества и недостатки различных типов. Очевидно, что данная оценка имеет несколько субъективный характер (см. таблицу).
Упражнение 1.12. Получите выражение для емкости двух последовательно соединенных конденсаторов. Подсказка: так как точка соединения конденсаторов не имеет внешних подключений, то заряд, накопленный двумя конденсаторами, должен быть одинаков. Индуктивности и трансформаторы www.skilldiagram.com 2. Конденсатор в цепи переменного тока | 4. Реактивное сопротивление и импеданс -- Емкость | Часть2
2. Конденсатор в цепи переменного токаКонденсатор в цепи переменного тока Конденсатор в цепи переменного тока ведет себя не так, как резистор. Если резисторы просто противостоят потоку электронов (напряжение на них прямопропорционально току), то конденсаторы противостоят изменению напряжения ("тормозя" или добавляя ток во время зарядки или разрядки до нового уровня напряжения). Проходящий через конденсатор ток прямопропорционален скорости изменения напряжения. Это противостояние изменению напряжения является еще одной формой реактивного сопротивления, которое по своему действию противоположно реактивному сопротивлению катушки индуктивности. Математическая взаимосвязь между проходящим через конденсатор током и скоростью изменения напряжения на нем выглядит следующим образом:
Отношение du/dt представляет собой скорость изменения мгновенного напряжения (u) с течением времени, и измеряется в вольтах в секунду. Емкость (С) измеряется в Фарадах, а мгновенный ток (i) - в амперах. Чтобы показать, что происходит с переменным током, давайте проанализируем простую емкостную схему:
Простая емкостная цепь: напряжение конденсатора отстает от тока на 90o. Если мы построим график тока и напряжения для этой простой цепи, то он будет выглядеть примерно так:
Как вы помните, проходящий через конденсатор ток является реакцией на изменение напряжения на этом конденсаторе. Отсюда можно сделать вывод, что мгновенный ток равен нулю всякий раз, когда мгновенное значение напряжения находится в пике (нулевое изменение, или нулевой наклон синусоидальной волны напряжения), и мгновенный ток равен своему пиковому значению всякий раз, когда мгновенное напряжение находится в точках максимального изменения (точки самого крутого наклона волны напряжения, в которых она пересекает нулевую линию). Все это приводит к тому, что волна напряжения на -90o не совпадает по фазе с волной тока. На графике видно, как волна тока дает "фору" волне напряжения: ток "ведет" напряжение, а напряжение "запаздывает" за током.
Как вы уже догадались, такая же необычная волна мощности, которую мы видели в простой индуктивной цепи, присутствует и в простой емкостной цепи:
Как и в случае с простой индуктивной цепью, фазовый сдвиг 90 градусов между напряжением и током приводит к равномерному чередованию волны мощности между положительными и отрицательными значениями. Это означает, что конденсатор не рассеивает мощность (когда реагирует на изменения напряжения), а просто поглощает и высвобождает ее (поочередно). Сопротивление конденсатора, изменяющее напряжение, интерпретируется как сопротивление переменному напряжению в целом, у которого по определению постоянно меняется мгновенная величина и направление. Для любой заданной величины переменного напряжения на заданной частоте, конденсатор заданного размера будет "проводить" определенную величину переменного тока. Так же, как ток через резистор является функцией напряжения на этом резисторе и его сопротивления, переменный ток через конденсатор является функцией переменного напряжения на этом конденсаторе и его реактивного сопротивления. Как и в случае с катушками индуктивности, реактивное сопротивление конденсатора измеряется в Омах, и обозначается буквой Х (или ХС, если быть более точным). Поскольку проходящий через конденсатор ток пропорционален скорости изменения напряжения, он будет больше для быстро меняющихся напряжений, и меньше - для напряжений с более медленным изменением. Это означает, что реактивное сопротивление любого конденсатора (в Омах) обратно пропорционально частоте переменного тока. Точная формула расчета реактивного сопротивления конденсатора выглядит следующим образом:
Если на конденсатор емкостью 100 мкФ воздействовать частотами 60, 120 и 2500 Гц, то его реактивное сопротивление примет следующие значения:
Обратите внимание на то, что отношение емкостного реактивного сопротивления к частотам точно противоположно отношению индуктивного реактивного сопротивления к тем же частотам. Емкостное реактивное сопротивление уменьшается с увеличением частоты переменного тока, а индуктивное реактивное сопротивление наоборот, увеличивается с ростом частоты переменного тока. Если катушки индуктивности выступают против быстрого изменения тока, производя большее напряжение, то конденсаторы выступают против быстрого изменения напряжения, производя больший ток. По аналогии с катушками индуктивности, выражение 2πf в уравнении реактивного сопротивления конденсатора может быть заменено на строчную греческую букву ω (Омега), которую иначе называют угловой (циклической) частотой переменного тока. Таким образом, уравнение XC = 1/(2πfC) может быть записано как XC = 1/(ωC), где ω выражается в радианах в секунду. Переменный ток в простой емкостной цепи равен напряжению (в Вольтах) поделенному на реактивное сопротивление конденсатора (в Омах). Это аналогично тому что переменный или постоянный ток в простой резистивной цепи равен напряжению (в Вольтах) поделенному на сопротивление (в Омах). В качестве примера давайте рассмотрим следующую схему:
Однако, мы должны иметь в виду, что напряжение и ток имеют разные фазы. Как было сказано ранее, ток имеет фазовый сдвиг +90o по отношению к напряжению. Если представить фазовые углы напряжения и тока математически (в виде комплексных чисел), то мы увидим, что реактивное сопротивление конденсатора переменному току обладает следующим фазовым углом:
Математически можно сказать, что фазовый угол сопротивления конденсатора переменному току составляет -90o. Фазовый угол реактивного сопротивления току очень важен при анализе цепей. Особенно эта важность проявляется при анализе сложных цепей переменного тока, где реактивные и простые сопротивления взаимодействуют друг с другом. Он также окажется полезным для представления сопротивления любого компонента электрическому току с точки зрения комплексных чисел (а не скалярных величин сопротивления и реактивного сопротивления). www.radiomexanik.spb.ru
cner.ucoz.net | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
Под действием переменного напряжения генератора ( на рис.1 приведено векторное представление переменного тока) дважды за период происходят заряд конденсатора (первая и третья четверти периода) и дважды его разряд (вторая и четвертая четверти периода). Но так как чередующиеся один за другим заряды и разряды конденсатора сопровождаются каждый раз прохождением по цепи зарядного и разрядного токов, то мы можем заключить, что по цепи с емкостью проходит переменный ток.
Если подключить к источнику переменного тока конденсатор (рис.2) в момент, когда напряжение начинает увеличиваться, то несмотря на то, что напряжение невелико, ток заряда будет иметь максимальное значение, так как в начальный момент на пластинах нет противодействующих зарядов. 
В первую четверть периода (рис.3) конденсатор будет заряжаться до тех пор, пока напряжение на его пластинах не достигает амплитудного значения напряжения источника тока. На одной из пластин будут накапливаться положительные заряды, на другой - отрицательные. Во второй четверти периода напряжение источника тока будет уменьшаться, то есть станет меньше напряжения на пластинах конденсатора и конденсатор начнет разряжаться через источник. По мере уменьшения напряжения источника разрядный ток конденсатора будет увеличиваться и к концу второй четверти периода достигнет своего максимального значения. В третьей четверти периода напряжение источника тока меняет свое направление и снова происходит возрастание напряжения. Конденсатор при этом будет заряжаться, но в обратной полярности.
Однако вследствие потерь мощности в диэлектрике (токи смещения нагревают диэлектрик) реальные конденсаторы потребляют некоторую активную мощность. Потери в диэлектрике зависят от температуры и частоты переменного тока (таблица 1), протекающего через конденсатор, поэтому на конденсаторах для мощных высокочастотных цепей указывается допустимая величина тока и максимальная частота, при которой конденсатор может работать не перегреваясь. 
Кроме того, в конденсаторе имеют место потери на токи утечки, вследствие недостаточно совершенной изоляции между пластинами. В маломощных цепях потери в конденсаторе настолько малы, что их обычно не учитывают. 
Полное сопротивление цепи с последовательно включенным конденсатором и активным сопротивлением (рис.5) равно их геометрической сумме: 
Графическим путем полное сопротивление можно определить, построив треугольник сопротивлений (рис.6). 
Сдвиг фаз в цепи переменного тока, содержащий емкостное и активное сопротивление, всегда меньше четверти периода, то есть меньше 90о, величина сдвига фаз зависит от соотношения величин активного и полного сопротивлений, то есть от R/Z, при Хс=0 сдвиг фаз равен 0; при R=0 сдвиг фаз равен 90о.
В таблице 2 приведены значения емкостного Хс и индуктивного Хинд сопротивлений на разных частотах для часто встречающихся значений С и L.. 
