Конденсатор электротехника: Конденсатор: устройство, принцип работы, применение

эквивалентная схема конденсатора, реальной катушки индуктивности, постоянного резистора

В элементах различных реально существующих электротехнических устройств происходят сложные процессы, связанные с протеканием токов смещения, токов проводимости, наведения ЭДС, выделения тепла, перераспределения и накопления энергии магнитного поля и электрического поля и прочее. Чтобы описать математически все эти процессы, используют схемы замещения электротехнических устройств, добавляя в них ёмкостные, индуктивные и резистивные элементы.

С помощью ёмкостного элемента в эквивалентной схеме замещения учитывают накопление в электрическом поле энергии и протекание токов смещения в реальном элементе цепи. С помощью индуктивного элемента учитывают накопление в магнитном поле энергии и наведение ЭДС. При помощи резистивного элемента в эквивалентной схеме учитывают выделение тепла.

Любой элемент реально существующей электрической цепи может быть представлен на эквивалентной схеме в виде нескольких идеальных элементов.

Эквивалентная схема замещения резистора

Постоянный резистор, используемый в схеме с низкими частотами может быть представлен в виде одного резистивного элемента R.

Эквивалентная схема того же самого резистора, работающего в схеме на высоких частотах, кроме резистивного элемента включает также индуктивность и ёмкость. С помощью паразитной ёмкости C_п учитывается ток смещения на зажимах элемента. С помощью паразитной индуктивности L_п учитывается сцепленный с резистором магнитный поток.

Эквивалентная схема замещения конденсатора

Конденсатор, который работает в схеме на низких частотах представляют, как один ёмкостной элемент C.

Конденсатор, который работает на высоких частотах в эквивалентной схеме представляется ёмкостным элементом, резистором и индуктивностью. С помощью резистора R_п учитывают потери тепла в диэлектрике конденсатора. Паразитной индуктивность L_п учитывается магнитный поток в подводящих контактах.

Эквивалентная схема замещения катушки индуктивности

Катушку индуктивности, работающую на низких частотах, представляют в виде индуктивного элемента L.

Схема замещения катушки индуктивности, кроме индуктивного элемента, включает также резистор и ёмкость. Резистивный элемент R_п учитывает потери на выделение тепла в сердечнике и сопротивлении обмотки. При помощи паразитной ёмкости C_п учитываются токи смещения, существующие между витками катушки.

В случае составления эквивалентной схемы для реальных элементов цепи в неё включают такие идеальные элементы, которые могут описать основные процессы, протекающие в этих реальных элементах. При этом второстепенными процессами, как правило, пренебрегают.

Представленную как совокупность идеализированных элементов схемы реальную электрическую цепь называют схемой замещения, эквивалентной схемой или эквивалентной схемой замещения.

Если ток и напряжение на всех элементах в реальной электрической цепи никак не зависят от координат в пространстве, то такую цепь называют цепью с сосредоточенными параметрами. Если же ток и напряжение зависят от координат в пространстве, то это цепь с распределёнными параметрами.

Процессы, которые происходят в цепи с сосредоточенными параметрами описывают при помощи дифференциальных или алгебраических уравнений. Процессы, происходящие в цепях с распределёнными параметрами, описывают с помощью уравнений в частных производных.

Расчётную модель реальной электрической цепи сопоставляют с экспериментальными данными. В случае больших расхождений модель необходимо будет уточнить.

Гармоники тока и напряжения в электросетях

Проблема гармоник….

Любые приборы и оборудование с нелинейными характеристиками являются источниками гармоник в своей сети. Если вы сталкиваетесь с таким оборудованием или имеете опыт работы в сетях с гармониками, тогда дроссели с конденсаторами или фильтрокомпенсирующие установки (ФКУ) могут прийти вам на помощь. Гармонические искажения  и связанные с этим проблемы в электрических сетях, становятся все более превалирующими в распределительных сетях.

Проблемы создаваемые гармониками.

• дополнительный нагрев и выход из строя конденсаторов, предохранителей конденсаторов, трансформаторов, электродвигателей, люминесцентных ламп и т.п.;

• ложные срабатывания автоматических выключателей и предохранителей;

• наличие третьей гармоники и ее производных 9,12 и т.д. в нейтрали может потребовать увеличения сечения ее проводника;

• гармонический шум (частые переходы через 0) может служить причиной неправильной работой компонентов систем контроля;

• повреждение чувствительного электронного оборудования;

• интерференция систем коммуникации.

 

Следующие разделы являются описанием гармоник, характеризацией проблемы и поиском решения.

Происхождение гармонических искажений

Постоянно увеличивающиеся требования промышленности и народного хозяйства к стабильности, приспосабливаемости и точности контроля в электрическом оборудовании привело к появлению относительно дешевых силовых диодов, тиристоров, SCR (Silicon Controlled Rectifier) и других силовых полупроводников.

Сейчас, широко используемые в выпрямительных цепях UPS полупроводники, статические преобразователи переменного напряжения в постоянное, устройства плавного пуска пришедшие на смену устаревшим устройствам изменили картину формы тока и напряжения в электросетях. Хотя твердотельные реле, такие как тиристоры привнесли существенные изменения в схемотехнику систем контроля, они, также, создали проблему генерации гармоник тока. Гармоники тока могут сильно влиять на энергоснабжающие сети, а также перегружать косинусные конденсаторы служащие для компенсации реактивной мощности (при увеличении частоты, снижается сопротивление конденсатора и растет ток через него).

Мы сфокусировали наше внимание на таких источниках гармоник, как твердотельные элементы силовой электроники, однако существует много других источников гармонических токов. Эти источники могут быть сгруппированы в трех основных типах:

1. Силовое электронное оборудование: частотные привода переменного тока, привода постоянного тока, источники бесперебойного питания UPS, выпрямители (шестифазные, по схеме Ларионова), конвертеры, тиристорные системы, диодные мосты, плавильные печи высокой частоты.

2. Сварочное, дуговое оборудование: дуговые плавильные печи, сварочные автоматы, освещение (ДРЛ-ртутные лампы, люминесцентные лампы)

3. Насыщаемые устройства: Трансформаторы, двигатели, генераторы, и т.д. Гармонические амплитуды на этих устройствах являются обычно незначительна по сравнению с элементами силовой электроники и сварочным оборудованием, при условии что насыщение не происходит.

Форма синусоиды тока

Гармоники – это синусоидальные волны суммирующиеся  с фундаментальной (основной) частотой 50 Гц (т.е 1-я гармоника=50 Гц, 5-я гармоника = 250 Гц). Любая комплексная форма синусоиды может быть разложена  на составляющие частоты, таким образом комплексная синусоида есть сумма определенного числа четных или нечетных гармоник с меньшими или большими величинами.

Гармоники – есть продолжительные возмущения или искажения в электрической сети, имеющие различные источники и проявления такие как импульсы, перекосы фаз, броски и провалы, которые могут быть категоризованы как переходные возмущения.

Переходные возмущения обычно решаются путем установки подавляющих или разделяющих (изолирующих) устройств, таких как импульсных конденсаторов, изолирующих (разделяющих) трансформаторов. Эти устройства помогают устранить переходные возмущения, но они не помогают устранить гармоники низких порядков или устранить проблемы резонанса в связи с присутствием гармоник в сети.

 

Гармоническое содержание синусоиды

Тиристоры и SCR выпрямители обычно проявляются числом пульсаций постоянного тока которые они производят каждый период. Обычно это 6-и или 12-пульсные выпрямители. Есть много факторов, которые могут влиять на гармоническое содержание, но типичные гармонические токи, показанные как процент от фундаментального тока 50 Гц, показаны в таблице. Другие номера гармоник также будут присутствовать, в небольшой степени, но из практических соображений они не приводятся.

Номер гармоники	Типичное содержание в % гармоник тока
—	6-ти пульсный выпрямитель	12-ти пульсный выпрямитель
1	100	100
5	20	—
7	14	—
11	9	9
12	8	8
17	6	—
19	5	—
23	4	4
23	4	4

Разложение формы кривой тока на гармонические составляющие

Перегрузка конденсаторов гармониками

Согласно закону Ома сопротивление цепи определяет протекающий по ней ток. Так как сопротивление источника энергии является индуктивным, кроме того, импеданс сети увеличивается с частотой, в то время как сопротивление конденсатора с ростом частоты уменьшается. Это вызывает рост тока через конденсаторы и оборудование содержащее их. При определенных обстоятельствах, гармонические потоки могут превысить ток фундаментальной гармоники 50 Гц протекающей через конденсатор. Эти гармонические проблемы могут также вызвать увеличение напряжения на конденсаторе, которое может превысить максимально допустимое значение и привести к пробою конденсатора.

Гармонический резонанс

Резонанс в сети достигается когда сопротивление конденсатора равно сопротивлению источника. Когда мы применяем конденсаторы для компенсации реактивной мощности в распределительных сетях, которые содержат и емкостную и индуктивную (индуктивность линии, силовых трансформаторов) составляющую, всегда существует частота на которой возможно явление параллельного резонанса конденсатора с источником.

Если это происходит, или частота близка к частоте резонанса, то гармоники генерируемые силовыми полупроводниками (большие токи гармоник) начинают циркулировать между генерирующей сетью  и конденсаторным оборудованием. Эти токи ограничиваются только сопротивлением линии. Такие токи приводят к возмущениям и искажениям напряжения в сети. Как результат: повышенное напряжение на конденсаторах, и повышенный ток через них, Резонанс может произойти на любой частоте, но в основном это 5-я, 7-я, 11-я и 13-я гармоники которые генерируются 6-пульсными системами выпрямления трехфазного напряжения.

Предотвращение резонанса в электросетях

Есть несколько путей, чтобы избежать явлений резонанса в распределительных сетях где установлены конденсаторы. В больших распределительных сетях, есть возможность установки их в части сети, которая не имеет параллельного резонанса с индуктивностью трансформатора. Изменяя выходную мощность конденсаторной установки, мы можем отстроиться от опасной резонансной частоты. Резонансная частота с включением каждого шага конденсаторной установки изменяется.

Резонансные явления при использовании конденсаторов в электросетях с нелинейными потребителями

Сдвиг резонансной частоты

Если резонанса нельзя избежать вышеприведенным методом, необходимо альтернативное решение. Последовательно с каждым конденсатором ставится реактор (трехфазный дроссель)  таким образом, чтобы система конденсатор-дроссель имела индуктивный характер на критических частотах, и емкостной характер на основной частоте 50 Гц. Для этого система конденсатор-дроссель должна иметь резонансную частоту ниже наименьшего частоты гармоники присутствующей в сети, которая обычно бывает 5-ой (250 Гц). Это означает, что частота настройки системы конденсатор дроссель д.б. между значениями 175…270 Гц. В системе конденсатор дроссель напряжение основной частоты на дросселе повышается, соответственной мы должны использовать конденсаторы на повышенное напряжение.

Снижение гармонических искажений

Гармонические искажения могут подавляться в электрических системах при использовании гармонических фильтров. В классическом виде фильтр представляет собой последовательно соединенные конденсатор и индуктивность и настроенные на определенную гармоническую частоту. В теории сопротивление фильтра равно нулю на частоте резонанса, поэтому гармонический ток абсорбируется фильтром. Этот эффект вместе с сопротивлением линии означает, что таким образом можно хорошо подавлять гармоники в сети.

Типы фильтров гармоник

Эффективность фильтра любой формы зависит от его реактивной мощности, точности настройки, и импеданса сети в точке подключения. Гармоники ниже частоты резонанса фильтра будут усиливаться. Схемотехника фильтра важна, чтобы быть уверенным в том что искажения не будут усиливаться до неприемлемых уровней. Когда несколько различных порядков гармоник присутствуют в сети мы можем подавлять одни в то же время усиливая другие. Фильтр 7-ой гармоники создает параллельный резонанс на частоте 5-ой и усиливает ее, поэтому к фильтру 7-ой гармоники необходим фильтр 5-ой гармоники. Поэтому часто необходимо использовать несколько фильтров, настроенных каждый на свою частоту.

Анализ и измерение гармоник в сети

Прежде чем приступать к внедрению конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности на предприятии, а также фильтров гармоник необходимо провести всесторонние измерения параметров сети: активную реактивную, полную мощность, величину и уровни  гармоник тока и напряжения, провалы и перенапряжения в линии, фликкер. Для этих целей компания Матик электро имеет в своем штате профессиональных инженеров с анализаторами сети и ноутбуками для обработки информации на месте съема. Мы проводим выездные измерения по всей России, предоставляем отчет и рекомендации с последующим внедрением энергосберегающего оборудования (конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности) и фильтров гармоник.

Конденсаторы — Практические EE

Конденсаторы — это устройства, которые накапливают электрическую потенциальную энергию в электрическом поле. Они создаются путем размещения двух проводящих поверхностей в непосредственной близости друг от друга, но разделенных изолирующим диэлектрическим материалом. Большая площадь поверхности в непосредственной близости и близость этой близости и тип диэлектрического материала определяют емкость.

Обозначения конденсаторов

КонденсаторПоляризованный конденсатор

Общие уравнения для конденсаторов

Соотношение ток/напряжение:

Ток через конденсатор равен емкости, умноженной на скорость изменения напряжения (производная напряжения по времени).

Это уравнение означает несколько важных вещей:

• Напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно, для этого потребовался бы бесконечный ток. Конденсаторы борются с быстрыми изменениями напряжения.
• Ток через конденсатор пропорционален скорости изменения напряжения. Константой пропорциональности является емкость.
• Ток через конденсатор может изменяться мгновенно.

Реактивное сопротивление:

Реактивное сопротивление конденсатора = -1 Делить на 2 * Pi * Частота в Гц * Емкость; Реактивное сопротивление измеряется в Омах

• Реактивное сопротивление конденсатора уменьшается с увеличением частоты. Конденсаторы действуют как короткие замыкания для высокочастотных сигналов и действуют как разомкнутые цепи для низкочастотных сигналов.
• Отрицательное реактивное сопротивление означает, что ток опережает напряжение (ток меняется быстро, напряжение отстает)
• Для идеального конденсатора его сопротивление составляет 0, поэтому его импеданс:

Импеданс:

Ключевые спецификации реальных конденсаторов

• Capacitance — Nominal Compacitance
• TOLERANCE –ACRACITACY of Capacitance
• .
• Тангенс угла потерь или эквивалентное последовательное сопротивление — показывает, какое сопротивление имеет конденсатор.
• Пульсирующий ток

Реальные конденсаторы имеют широкий диапазон значений, и их предельная характеристика для большинства применений — это номинальное напряжение. Размер конденсаторов связан как с емкостью, так и с номинальным напряжением, что немного отличается от резисторов, размер которых в основном определяется номинальной мощностью.

Тангенс угла потерь и ESR

В большинстве применений конденсаторов требуется минимальное эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Но в случае импульсных преобразователей мощности обычно требуется некоторое ESR в большом выходном конденсаторе, и вам необходимо проверить его номинал на соответствие требованиям регулятора. Однако некоторые поставщики конденсаторов не указывают ESR, а вместо этого указывают тангенс угла потерь. Почему они это делают? Чтобы предоставить вам прекрасную возможность преобразовать тангенс угла потерь в ESR. Вот как это сделать.

В паспорте конденсатора будет указан тангенс угла потерь на указанной частоте. Вам нужны оба значения для преобразования в ESR.

Тангенс угла потерь в ESR Преобразование:

ESR = [тангенс угла потерь], деленный на количество 2 * Pi * [частота характеристики тангенса угла потерь] * [емкость конденсатора]

Ток пульсаций

Типы конденсаторов

Керамические колпачки

• Неполяризованные. Неважно, к какой клемме вы подключаете положительное или отрицательное напряжение.
• Комбинация емкости и номинального напряжения определяет размер упаковки.
• Доступен в исполнении для поверхностного монтажа (SMD) или для ввода через отверстие. В керамических конденсаторах SMD
  используются те же размеры корпуса, что и в резисторах SMD, что совершенно необходимо для отрасли. Керамические конденсаторы SMD
• очень недороги, могут быть очень маленькими, иметь очень низкое паразитное последовательное сопротивление (ESR) и являются очевидным выбором. использовать, если вам не нужны специальные характеристики, предоставляемые другими типами.
• Основным недостатком керамических конденсаторов является то, что они не обладают такой большой емкостью, как конденсаторы других типов. Емкость доступна до 100 мкФ.
• Керамические колпачки доступны с различными типами диэлектрика, и тип диэлектрика оказывает большое влияние на устойчивость. Ниже перечислены четыре наиболее распространенных типа.
  • C0G : +/-30 ppm/C (30 частей на миллион на градус Цельсия). Это тот, который следует использовать, когда вам нужна точность емкости
  • X5R : +/- 15% в указанном диапазоне температур от -55°C до +85°C
  • X7R : +/- 15% при температуре от -55°C до +125°C. X5R и X7R, как правило, то, что вы хотите использовать.
  • Y5V : +22%/-82% в указанном диапазоне температур от -30°C до +85°C. Этот тип очень неточен, и я бы их избегал.

Конденсатор для поверхностного монтажа Керамический конденсатор со сквозным отверстием

Алюминиевый электролитический

• Поляризованный. Вы должны подключить одну клемму к положительному напряжению, а другую к отрицательному напряжению, иначе он буквально взорвется. И да, я знаю это по личному опыту.
• Имеют большую емкость и хорошие номинальные напряжения
• Недостатки: большой размер, высокое ESR (обратите внимание, что высокое ESR не всегда плохо) кроме сравнения с керамическими колпачками.
• Обычно используется для емкости с большой развязкой, которая обеспечивает стабильное напряжение шин питания, а также в переключающих преобразователях постоянного тока в постоянный, где для стабильности управления часто требуется высокое ESR.

9Алюминиевые электролитические колпачки 0019 имеют определенный срок службы, что очень важно. Это указывается в часах работы, и типичное значение составляет 2000 часов. Это очень короткий срок, всего 83 дня! Чем тогда может быть полезен этот прибор? Ответ заключается в том, что срок службы устройства указан при максимальной указанной температуре и максимальном указанном напряжении. Если вы запускаете устройство при более низкой температуре или более низком напряжении, оно прослужит намного дольше. По сути, если вы проектируете что-то, что рассчитано на пару лет, тогда подойдет деталь на 2000 часов, если вы проектируете что-то, что прослужит больше 5, 7 или 10 лет, тогда найдите деталь с более длительным сроком службы.

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Танталовые электролитические конденсаторы

• Обеспечивают большую емкость при небольшом размере.
• Имеют низкое ESR: выше, чем у керамических конденсаторов, но намного ниже, чем у алюминиево-электролитных. Их режим отказа — каскадное короткое замыкание с тепловым выходом из строя, что плохо, потому что может вызвать пожар.
• Честно говоря, может быть лучше использовать колпачки следующего типа, алюминиево-полимерные колпачки, которые имеют те же преимущества, но без режима катастрофического отказа.

Tantalum Compacitors

Алюминиевые полимерные колпачки

• Имеют низкую ESR и высокую емкость в небольшой упаковке
• DO не имеют режима катастофической неудачи Tantalum Caps

2

• Относительно высокая стоимость

2222222229

• . Это, как и в части, это то, что у меня, часть, — это часть, что и в частях. если вам нужна большая емкость в небольшом пространстве.

Алюминиево-полимерные конденсаторы

Общие номиналы конденсаторов

1,0	10	100	1000	0,01	0,1	1,0	10	100	1000
1.1	11	110	1100
1,2	12	120	1200
1,3	13	130	1300
1,5	15	150	1500	0,015	0,15	1,5	15	150	1500
1,6	16	160	1600
1,8	18	180	1800
2,0	20	200	2000
2,2	22	220	2200	0,022	0,22	2,2	22	220	2200
2,4	24	240	2400
2,7	27	270	2700
3,0	30	300	3000
3,3	33	330	3300	0,033	0,33	3,3	33	330	3300
3,6	36	360	3600
3,9	39	390	3900
4,3	43	430	4300
4,7	47	470	4700	0,047	0,47	4,7	47	470	4700
5. 1	51	510	5100
5,6	56	560	5600
6,2	62	620	6200
6,8	68	680	6800	0,068	0,68	6,8	68	680	6800
7,5	75	750	7500
8.2	82	820	8200
9.1	91	910	9100

Номинальное напряжение конденсатора

	10 В	10 В
16В	16В	16В
		20 В
25В	25 В	25 В
	35 В	35 В
50В	50В	50В	50В
	63В
100 В	100 В		100 В
	160 В
			200 В
	250 В			250 В
	350 В
			400 В	400 В
	450 В
600 В
				630 В
1000В

Трехбуквенные коды керамических конденсаторов

Крышки класса I

Первый символ		Второй символ		Третий символ
Письмо	Сиг инжир*	Цифра	Множитель 10 x	Письмо	Допуск
С	0,0	0	-1	Г	+/-30
Б	0,3	1	-10	Х	+/-60
Л	0,8	2	-100	Дж	+/-120
А	0,9	3	-1000	К	+/-250
М	1,0	4	+1	л	+/-500
Р	1,5	6	+10	М	+/-1000
Р	2,2	7	+100	Н	+/-2500
С	3,3	8	+1000
Т	4,7
В	5,6
У	7,5

Колпачки класса II

Первый символ		Второй символ		Третий символ
Письмо	Низкотемпературный	Цифра	Высокотемпературный	Письмо	Изменить
Х	-55С (-67Ф)	2	+45°С (+113°F)	Д	+/-3,3%
Д	-30С (-22F)	4	+65 (+149F)	Е	+/-4,7%
З	+10°С (+50°F)	5	+85 (+185F)	Ф	+/-7,5%
		6	+105 (+221F)	Р	+/-10%
		7	+125 (+257F)	Р	+/-15%
				С	+/-22%
				Т	+22% / -33%
				У	+22% / -56%
				В	+22% / -82%

Полезные видео

Далее: Катушки индуктивности

Конденсатор | Инжиниринг | Fandom

Конденсатор — это устройство, накапливающее энергию в электрическом поле, создаваемом между парой проводников, на которых размещены равные, но противоположные электрические заряды. Конденсатор иногда упоминается с использованием более старого термина конденсатор .

Конденсаторы различных типов

Конденсаторы SMD: электролитические внизу, керамические над ними; керамические и электролитические конденсаторы со сквозным отверстием справа для сравнения

Содержание

• 1 История
• 2 Физика
  • 2. 1 Обзор
  • 2.2 Емкость
  • 2.3 Накопленная энергия
  • 2.4 Гидравлическая модель
• 3 В электрических цепях
  • 3.1 Цепи с источниками постоянного тока
  • 3.2 Цепи с источниками переменного тока
  • 3.3 Конденсаторы и ток смещения
  • 3.4 Конденсаторные сети
    3.4.1 Последовательное или параллельное расположение
  • 3,5 Сдвоенный конденсатор/индуктор
• 4 приложения
  • 4.1 Аккумулятор энергии
  • 4.2 Обработка сигналов
  • 4.3 Блоки питания
  • 4.4 Настроенные схемы
  • 4.5 Сигнальная муфта
  • 4.6 Помехоподавляющие фильтры, пускатели и демпферы
  • 4.7 Применение датчика
    • 4.7.1 Акселерометры
  • 4.8 Применение оружия
• 5 Идеальные и неидеальные конденсаторы
• 6 Опасности и безопасность, связанные с конденсаторами
• 7 См. также
• 8 Внешние ссылки
• 9 Каталожные номера

История[]

См. [1]

Физика[]

Обзор[]

Конденсатор состоит из двух электродов или пластин, каждая из которых хранит противоположный заряд. Эти две пластины являются проводящими и разделены изолятором или 9диэлектрик 1351. Заряд накапливается на поверхности пластин, на границе с диэлектриком. Поскольку каждая пластина хранит равный, но противоположный заряд, общий заряд в конденсаторе всегда равен нулю.

При накоплении электрического заряда на пластинах в области между пластинами создается электрическое поле, пропорциональное количеству накопленного заряда. Это электрическое поле создает разность потенциалов В = E·d между обкладками этого простого плоскопараллельного конденсатора.

Электроны в молекулах перемещают или вращают молекулу по направлению к положительно заряженной левой пластине. Этот процесс создает противоположное электрическое поле, которое частично аннулирует поле, созданное пластинами. (Воздушный зазор показан для ясности; в реальном конденсаторе диэлектрик находится в непосредственном контакте с пластинами. ) Q ), хранящиеся на каждой пластине для заданной разности потенциалов или напряжение ( В ) которое появляется между пластинами:

В единицах СИ емкость конденсатора составляет один фарад (Ф), когда заряд в один кулон (Кл) вызывает разность потенциалов на пластинах в один вольт (В). Поскольку фарад является очень большой единицей, номиналы конденсаторов обычно выражаются в микрофарадах (мкФ) x10 ^-6 , нанофарадах (нФ) x10 ^-9 или пикофарадах (пФ) x10 ^-12 .

Емкость пропорционально площади поверхности проводящей пластины и обратно пропорционально расстоянию между пластинами. Он также пропорционален диэлектрической проницаемости диэлектрического (то есть непроводящего) вещества, разделяющего пластины.

Емкость плоского конденсатора определяется по формуле:

[2]

где ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика, A — площадь пластин и d — расстояние между ними.

Накопленная энергия[]

Поскольку противоположные заряды накапливаются на пластинах конденсатора из-за разделения зарядов, на конденсаторе возникает напряжение из-за электрического поля этих зарядов. По мере отделения большего количества зарядов против этого постоянно возрастающего электрического поля должна совершаться все возрастающая работа. Энергия (измеряемая в джоулях, в СИ), хранящаяся в конденсаторе, равна количеству работы, необходимой для установления напряжения на конденсаторе и, следовательно, электрического поля.
Запасенная энергия определяется:

где V — напряжение на конденсаторе.

Гидравлическая модель[]

Поскольку электрическая схема может быть смоделирована потоком жидкости, конденсатор можно смоделировать как камеру с гибкой диафрагмой, отделяющей вход от выхода. Как можно определить как интуитивно, так и математически, это обеспечивает правильные характеристики: давление на блоке пропорционально интегралу тока, через него не может проходить установившийся ток, но может передаваться импульсный или переменный ток, емкость параллельно соединенных блоков эквивалентна сумме их индивидуальных емкостей; и т. п.

В электрических цепях[]

Цепях с источниками постоянного тока[]

Электроны не могут напрямую проходить через диэлектрик с одной пластины конденсатора на другую. Когда через конденсатор протекает ток, электроны накапливаются на одной пластине, а электроны удаляются с другой пластины. Этот процесс обычно называют «зарядкой» конденсатора, хотя конденсатор всегда электрически нейтрален. Фактически ток через конденсатор приводит к разделению, а не накоплению электрического заряда. Это разделение заряда вызывает возникновение электрического поля между пластинами конденсатора, что приводит к возникновению напряжения на пластинах. Это напряжение V прямо пропорционально количеству разделенного заряда Q. Но Q — это просто временной интеграл тока I, протекающего через конденсатор. Это выражается математически как:

где

I — ток, текущий в обычном направлении, измеренный в амперах

dV/dt — производная напряжения по времени, измеренная в вольтах/секунду.

C — емкость в фарадах

Для цепей с источником постоянного (постоянного) напряжения напряжение на конденсаторе не может превышать напряжение источника. Таким образом достигается равновесие, при котором напряжение на конденсаторе постоянно, а ток через конденсатор равен нулю. По этой причине обычно говорят, что конденсаторы блокируют постоянный ток.

Цепи с источниками переменного тока[]

Ток конденсатора из-за переменного напряжения или источника тока периодически меняет направление. То есть переменный ток попеременно заряжает пластины то в одну, то в другую сторону. За исключением момента, когда ток меняет направление, ток конденсатора отличен от нуля в течение всего цикла. По этой причине обычно говорят, что конденсаторы «пропускают» переменный ток. Однако на самом деле электроны никогда не пересекают пластины.

Поскольку напряжение на конденсаторе является интегралом тока, как показано выше, с синусоидальными волнами в цепях переменного тока или сигнальных цепях это приводит к разнице фаз в 90 градусов, при этом ток опережает фазовый угол напряжения. Можно показать, что переменное напряжение на конденсаторе находится в квадратуре с переменным током через конденсатор. То есть напряжение и ток «не совпадают по фазе» на четверть периода. Амплитуда напряжения зависит от амплитуды тока, деленной на произведение частоты тока на емкость C. Отношение амплитуды напряжения к амплитуде тока называется реактивным сопротивлением конденсатора. это емкостное реактивное сопротивление определяется по формуле:

где

, угловая частота измеряется в радианах в секунду

X _C = емкостное реактивное сопротивление, измеренное в омах

f = частота переменного тока в герцах

C = емкость в фарадах

и аналогична сопротивлению резистора. Ясно, что реактивное сопротивление обратно пропорционально частоте. То есть для очень высокочастотных переменных токов реактивное сопротивление приближается к нулю, так что конденсатор является почти коротким замыканием на источник переменного тока очень высокой частоты. И наоборот, для переменного тока очень низкой частоты реактивное сопротивление неограниченно возрастает, так что конденсатор представляет собой почти разомкнутую цепь для источника переменного тока очень низкой частоты.

Реактивность названа так потому, что конденсатор не рассеивает мощность, а просто накапливает энергию. В электрических цепях, как и в механике, есть два вида нагрузки, резистивная и реактивная. Резистивные нагрузки (аналогично скольжению объекта по шероховатой поверхности) рассеивают поступающую в них энергию, в конечном итоге за счет электромагнитного излучения (см. Излучение черного тела), в то время как реактивные нагрузки (аналогично пружине или движущемуся объекту без трения) сохраняют энергию.

Полное сопротивление конденсатора определяется по формуле:

где и – мнимая единица [3].

Следовательно, емкостное сопротивление является отрицательной мнимой составляющей импеданса. Отрицательный знак указывает на то, что ток опережает напряжение на 90° для синусоидального сигнала, в отличие от катушки индуктивности, где ток отстает от напряжения на 90°.

Также важно то, что импеданс обратно пропорционален емкости, в отличие от резисторов и катушек индуктивности, для которых импедансы линейно пропорциональны сопротивлению и индуктивности соответственно. Вот почему формулы последовательного и шунтирующего импеданса (приведенные ниже) являются обратными для резистивного случая. Последовательно сумма импедансов. В шунте проводимости суммируются.

В настроенной цепи, такой как радиоприемник, выбранная частота является функцией последовательных индуктивности (L) и емкости (C) и определяется как:

Это частота, при которой возникает резонанс в последовательной цепи RLC.

Для идеального конденсатора ток конденсатора пропорционален скорости изменения напряжения на конденсаторе во времени, где коэффициентом пропорциональности является емкость, C:

Полное сопротивление в частотной области можно записать как

.

Это показывает, что конденсатор имеет высокое сопротивление низкочастотным сигналам (когда ω мало) и низкое сопротивление высокочастотным сигналам (когда ω велико). Это поведение, зависящее от частоты, объясняет большинство применений конденсатора (см. «Применения» ниже).

При использовании преобразования Лапласа [4] при анализе цепей емкостное сопротивление представляется в виде с домен от:

Конденсаторы и ток смещения[]

Физик Джеймс Клерк Максвелл [5] изобрел понятие тока смещения, d D /dt, чтобы сделать закон Ампера совместимым с законом сохранения заряда в случаях, когда заряд накапливается как в конденсаторе. Он интерпретировал это как реальное движение зарядов даже в вакууме, где предполагал, что оно соответствует движению дипольных [6] зарядов в светоносном эфире [7]. Хотя от этой интерпретации отказались, поправка Максвелла к закону Ампера остается в силе.

Конденсаторные сети[]

Конденсатор может использоваться для блокирования постоянного тока, протекающего в цепи, и, следовательно, имеет важное применение для передачи сигналов переменного тока между каскадами усилителя, предотвращая при этом прохождение постоянного тока.

Последовательные или параллельные схемы[]

Основная статья: Последовательные и параллельные схемы

Конденсаторы в параллельной конфигурации имеют одинаковую разность потенциалов (напряжение). Их суммарная емкость ( C _eq ) определяется как:

Ток через последовательные конденсаторы остается одинаковым, но напряжение на каждом конденсаторе может быть разным. Сумма разностей потенциалов (напряжений) равна общему напряжению. Их общая емкость определяется по формуле:

При параллельном хранении общий заряд равен сумме зарядов каждого конденсатора. При последовательном соединении заряд каждого конденсатора одинаков.

Одной из возможных причин последовательного соединения конденсаторов является увеличение общего номинального напряжения. На практике к каждому конденсатору может быть подключен очень большой резистор, чтобы гарантировать, что общее напряжение будет правильно разделено на отдельные номиналы, а не на незначительные различия в значениях емкости. Другое применение — использование поляризованных конденсаторов в цепях переменного тока; конденсаторы соединены последовательно, в обратной полярности, так что в любой момент времени один из конденсаторов не проводит ток.

Двойственность конденсатора и катушки индуктивности[]

С математической точки зрения идеальный конденсатор можно рассматривать как обратную сторону идеальной катушки индуктивности, потому что уравнения напряжения и тока двух устройств могут быть преобразованы друг в друга путем замены напряжения и тока условия. Точно так же, как две или более катушек индуктивности могут быть соединены магнитным образом, образуя трансформатор, два или более заряженных проводника могут быть соединены электростатически, образуя конденсатор. Взаимная взаимная емкость двух проводников определяется как ток, протекающий в одном, когда напряжение на другом изменяется на единицу напряжения в единицу времени.

Применение[]

Конденсатор	Поляризованные конденсаторы	Переменный конденсатор

Конденсаторы широко используются в электронных и электрических системах.

Аккумулятор энергии[]

Конденсатор может накапливать электроэнергию при отключении от цепи зарядки, поэтому его можно использовать как временную батарею. Недавняя коммерческая доступность конденсаторов очень большой емкости, размером в один фарад и больше, позволила использовать такие компоненты для замены батарей в электронных устройствах без потери памяти, например, или для хранения энергии для доставки во время экстремальных пиковых нагрузок. как часто встречается в чрезвычайно мощных автомобильных аудиосистемах, которые сейчас можно увидеть.

Обработка сигналов[]

Энергия, хранящаяся в конденсаторе, может быть использована для представления информации либо в двоичной форме, как в компьютерах, либо в аналоговой форме, как в схемах с переключаемыми конденсаторами и линиях задержки с ковшами. Конденсаторы можно использовать в аналоговых схемах в качестве компонентов интеграторов или более сложных фильтров, а также для стабилизации контура отрицательной обратной связи. В схемах обработки сигналов также используются конденсаторы для интегрирования токового сигнала.

Источники питания[]

Конденсаторы обычно используются в источниках питания , где они сглаживают выходной сигнал двухполупериодного или двухполупериодного выпрямителя. Их также можно использовать в схемах подкачки заряда в качестве элемента накопления энергии при генерации более высоких напряжений, чем входное напряжение. Конденсаторы подключаются параллельно к силовым цепям большинства электронных устройств и более крупных систем (таких как фабрики), чтобы шунтировать и скрывать колебания тока от основного источника питания, чтобы обеспечить «чистое» питание для сигнальных цепей или цепей управления. В звуковом оборудовании, например, таким образом используется несколько конденсаторов, чтобы шунтировать гул линии электропередачи, прежде чем он попадет в сигнальную схему. Конденсаторы действуют как локальный резерв для источника питания постоянного тока и обходят переменные токи от источника питания.

Конденсаторы используются для коррекции коэффициента мощности. Такие конденсаторы часто представляют собой три конденсатора, подключенных к трехфазной нагрузке. Обычно значения этих конденсаторов даются не в фарадах, а в виде реактивной мощности в реактивных вольт-амперах (ВАр). Цель состоит в том, чтобы соответствовать индуктивной нагрузке машин, содержащих двигатели, чтобы нагрузка казалась в основном резистивной.

Конденсаторы также используются параллельно для прерывания блоков высоковольтного автоматического выключателя с целью распределения напряжения между этими блоками. В этом случае их называют градуирующими конденсаторами. На принципиальных схемах конденсатор, используемый в основном для хранения заряда постоянного тока, часто изображается вертикально на принципиальных схемах, а нижняя, более отрицательная пластина изображается в виде дуги. Прямая пластина указывает на положительный вывод устройства, если он поляризован (см. электролитический конденсатор).

Неполяризованные электролитические конденсаторы, используемые для фильтрации сигналов, обычно имеют две изогнутые пластины. Другие неполяризованные конденсаторы имеют две прямые пластины.

Настроенные схемы[]

Конденсаторы и катушки индуктивности используются вместе в настроенных схемах для выбора информации в определенных частотных диапазонах. Например, радиоприемники полагаются на переменные конденсаторы для настройки частоты станции. В динамиках используются пассивные аналоговые кроссоверы, а в аналоговых эквалайзерах — конденсаторы для выбора различных звуковых диапазонов.

Связь сигналов[]

Поскольку конденсаторы пропускают переменный ток, но блокируют сигналы постоянного тока (при зарядке до приложенного постоянного напряжения), их часто используют для разделения компонентов переменного и постоянного тока в сигнале. Этот метод известен как соединение по переменному току . (Иногда для того же эффекта используются трансформаторы.) Здесь используется большое значение емкости, значение которой не нужно точно контролировать, но реактивное сопротивление которого мало на частоте сигнала. Конденсаторы для этой цели, предназначенные для установки через металлическую панель, называются проходными конденсаторами и имеют несколько другое условное обозначение.

Помехоподавляющие фильтры, пускатели двигателей и демпферы[]

Когда индуктивная цепь размыкается, энергия, накопленная в магнитном поле индуктивности, быстро исчезает, создавая большое напряжение в разомкнутой цепи переключателя или реле. Если индуктивность достаточно велика, энергия будет генерировать искру, что приведет к окислению, износу или иногда сварке контактных точек или разрушению твердотельного переключателя. Снабберный конденсатор на только что разомкнутой цепи создает путь для этого импульса в обход точек контакта, тем самым сохраняя их жизнь; например, они обычно встречались в системах зажигания с контактным выключателем. Точно так же в цепях меньшего масштаба искры может быть недостаточно для повреждения переключателя, но она все равно будет излучать нежелательные радиочастотные помехи (РЧП), которые1261 фильтр конденсатор поглощает. Снабберные конденсаторы обычно используются с резистором малой мощности последовательно, чтобы рассеивать энергию медленнее и минимизировать радиочастотные помехи. Такие комбинации резистор-конденсатор доступны в одном корпусе.

И наоборот, для быстрого возбуждения тока через индуктивную цепь требуется большее напряжение, чем требуется для его поддержания; при использовании, например, в больших двигателях, это может привести к нежелательным пусковым характеристикам, а пусковой конденсатор двигателя используется для хранения достаточного количества энергии, чтобы дать току начальный толчок, необходимый для запуска двигателя.

Применение в преобразователях[]

Хотя конденсаторы обычно имеют фиксированную физическую структуру, а использование варьирует в зависимости от электрического напряжения и тока, влияние изменения физических и/или электрических характеристик диэлектрика при фиксированном электропитании также может быть использовать. Конденсаторы с открытым и пористым диэлектриком можно использовать для измерения влажности воздуха. Конденсаторы с гибкой пластиной можно использовать для измерения деформации или давления. Конденсаторы используются в качестве преобразователя в конденсаторных микрофонах, где одна пластина перемещается под действием давления воздуха относительно фиксированного положения другой пластины.

Акселерометры[]

В некоторых акселерометрах используются конденсаторы MEMS, выгравированные на чипе, для измерения величины и направления вектора ускорения. Они используются для обнаружения изменений в ускорении, например. как датчики наклона или для обнаружения свободного падения, как датчики срабатывания подушки безопасности и во многих других приложениях.

Применение в оружии[]

Малоизвестное военное применение конденсатора в ЭМИ-оружии. В качестве диэлектрика используется пластическая взрывчатка. Конденсатор заряжается и взрывается. Емкость становится меньше, но заряд на пластинах остается прежним. Это создает высокоэнергетическую электромагнитную ударную волну, способную уничтожить незащищенную электронику на многие мили вокруг.

Идеальные и неидеальные конденсаторы[]

На практике эту идеальную модель конденсатора часто приходится модифицировать, чтобы она отражала конструкцию и работу конденсатора в реальном мире. Наиболее очевидным примером являются электролитические конденсаторы, в которых конденсатор поляризован так, что при обратном подключении напряжения конденсатор действует как резистор. Однако аналогичные проблемы диэлектрической утечки являются постоянным усложнением конструкции всех конденсаторов и привели к постоянным улучшениям конструкции конденсаторов, поскольку материал, используемый для диэлектриков, изменился с промасленной бумаги на майлар и с керамики на тефлон. Это также решает связанную с этим проблему диэлектрической стабильности; промасленная или пропитанная электролитом бумага со временем высыхает, уменьшая емкость и увеличивая утечку, что является проблемой для современных компонентов.

С другой стороны, требования большой площади пластины для разумно полезных конденсаторов, а также разумной упаковки привели к повсеместной практике скручивания сэндвича пластины/диэлектрика в цилиндр, который затем герметизировался. Однако этот процесс также создает индуктивность последовательно с емкостью, точно так же, как введение спирального провода с аналогичными характеристиками последовательно с плоским конденсатором; в чувствительных цепях эту индуктивность необходимо учитывать, либо используя конденсатор с меньшей индуктивностью, либо шунтируя большой конденсатор меньшим, неиндуктивным. В последнее время эта практика стала более распространенной в продуктах, ориентированных на аудиофилов, поскольку было продемонстрировано, что индуктивные проблемы в недорогих конденсаторах ухудшают точность воспроизведения высоких частот.

В компьютерах и сотовых (мобильных) телефонах используются многослойные конденсаторы для поверхностного монтажа, поскольку эти устройства не имеют выводов и, следовательно, индуктивности выводов. Когда пластины конденсатора установлены под прямым углом к ​​печатной плате, индуктивность может быть очень низкой. Чтобы еще больше уменьшить индуктивность, используются широкие дорожки проводников и небольшие зазоры, а конденсатор имеет соответствующую форму.

Диэлектрические материалы могут вызывать нежелательные побочные эффекты. Например, диэлектрическая проницаемость титаната бария [8], используемого в керамических конденсаторах, изменяется в зависимости от температуры и давления. Такие конденсаторы чувствительны к вибрации и изгибу и могут вызывать модуляцию сигнала в электронных схемах, называемую 9.1351 микрофон .

Опасности и безопасность, связанные с конденсаторами[]

Конденсаторы могут долго сохранять заряд после отключения питания от цепи; этот заряд может вызвать поражение электрическим током (вплоть до поражения электрическим током) или повреждение подключенного оборудования. Поскольку конденсаторы имеют такое низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), они способны подавать большие токи в короткие замыкания; это может быть опасно. Необходимо позаботиться о том, чтобы любой большой или высоковольтный конденсатор был должным образом разряжен перед обслуживанием содержащего его оборудования. В целях безопасности все большие конденсаторы следует разряжать перед использованием. Для конденсаторов на уровне платы это делается путем размещения стравливающий резистор на клеммах, сопротивление которого достаточно велико, чтобы ток утечки не повлиял на цепь, но достаточно мал, чтобы разрядить конденсатор вскоре после отключения питания. Конденсаторы высокого напряжения следует хранить с закороченными клеммами, чтобы рассеять накопленный заряд.

Большие старые маслонаполненные конденсаторы необходимо утилизировать надлежащим образом, поскольку некоторые из них содержат полихлорированные дифенилы [9] (ПХБ). Известно, что отработанные ПХД могут просачиваться в грунтовые воды под свалками. При употреблении в пищу загрязненной воды ПХБ являются канцерогенными [10] даже в очень малых количествах. Если конденсатор физически большой, он, скорее всего, будет опасен и может потребовать мер предосторожности в дополнение к описанным выше. Новые электрические компоненты больше не производятся с использованием печатных плат.
Значение: имейте в виду, что печатная плата в электронике обычно означает печатную плату, в отличие от химии, где она может использоваться, как показано выше.

См. также[]

Конденсатор (деталь)
Шаблон:Wikibookspar

• Емкость
• Конденсаторная чума Неисправности конденсаторов на материнских платах компьютеров
• Схема
• Электромагнетизм
• Электричество
• Электроника
• Индуктор
• Практические конденсаторы
• Суперконденсатор

Внешние ссылки[]

• Практические конденсаторы и другая электроника для робототехники
• Калифорнийский технологический институт: Практические свойства конденсатора
• General Atomics Electronic Systems, Inc. Высоковольтные импульсные силовые конденсаторы и системы.
• Skeleton NanoLab, исследование и разработка передовых конденсаторов
• Howstuffworks.com: Как работают конденсаторы
• CapSite 2016: Введение в конденсаторы
• Цепи переменного тока

Ссылки []

«IEEE Spectrum», январь 2005 г.