Конденсаторы как работают: Конденсатор: устройство, принцип работы, применение

Содержание

Принцип работы и назначение конденсатора в электрической цепи

Содержание

1 Классификация устройств
2 Принцип функционирования
3 Возможное применение устройств
4 Видео

Данный элемент применяется практически в любых электронных приборах, поэтому, чтобы понять, в чем назначение конденсаторов, необходимо разобраться в их устройстве и принципах функционирования. Конденсатором называется одна из составных частей электрической цепи, у которой имеются две проводящие обкладки (одна обладает положительным зарядом, а другая – отрицательным). Чтобы исключить саморазрядку устройства, между обкладками помещают специальное вещество – диэлектрик, который препятствует перетоку заряда.

Конденсатор

Классификация устройств

Прежде, чем ответить на вопрос, для чего нужен конденсатор, следует разобраться, какие они бывают. Конденсаторы разделяются по следующим признакам:

Предназначение и выполняемые функции;
Рабочие условия;
Тип вещества, разделяющего обкладки.

Конденсаторы активно используются в цепях, где необходима их способность копить и хранить электрический заряд (требуется наличие емкостного устройства). Для этого внутри него установлены две обкладки с разными знаками заряда. Между ними расположено вещество, препятствующее их соприкосновению и разрядке. В большинстве случаев в качестве диэлектрика используется тантал или алюминий, но могут применяться и керамические материалы, слюда или полистирол.

Основным достоинством алюминиевых устройств является их более низкая, по сравнению с танталовыми, стоимость, а также более широкая сфера применения. Вместе с тем, танталовые аналоги более эффективны в использовании и обладают более высокими техническими характеристиками, поэтому при выборе следует учитывать не только фактор цены.

Виды конденсаторов

Дополнительная информация. Конденсаторы из тантала отличаются повышенной надежностью, у них широкий рабочий диапазон температур, что позволяет эксплуатировать их практически в любых условиях. Наиболее широкое применение они нашли в электронике и сопутствующих отраслях промышленности, поскольку обладают большой емкостью и компактными габаритами. К недостаткам устройств данного типа специалисты относят их более высокую цену и чувствительность к колебаниям тока и напряжения.

Силовые элементы применяются чаще всего в цепях с высоким напряжением. Специальная конструкция позволяет обеспечивать большую емкость, а значит, они могут использоваться для стабилизации обеспечения электричеством по линиям электропередач (компенсируют потери энергии). Кроме того, они активно используются для повышения мощности промышленных электроустановок. Диэлектрик в таком устройстве – это пропитанная изоляционным маслом металлизированная пропиленовая пленка.

Самыми широко используемыми являются керамические. Их емкость может варьироваться в значительных пределах – от 1 пикофарада до 0,1 микрофарада. Для предотвращения саморазряда применяется керамика, а в качестве преимущества специалисты отмечают доступную цену, широкие функциональные возможности, высокий уровень надежности и низкий –потерь.

Несмотря на свою дороговизну, на практике применяются серебряно-слюдяные конденсаторы. Они работают крайне стабильно, поддерживают высокую емкость, их корпус полностью герметичен. Но широкому распространению мешает высокая цена.

Применяются и бумажные или металлобумажные элементы. Их обкладка изготовлена из алюминиевой фольги, а в качестве диэлектрика используется бумага, пропитанная специальным составом.

Типы конденсаторов

Принцип функционирования

Конденсатор

Основная причина, по которой описываемый элемент включается в электрическую схему, состоит в том, чтобы копить заряд в периоды повышенного напряжения и обеспечивать питание цепи в периоды низкого.

Принцип работы конденсатора заключается в следующем. Когда электрический прибор подключен к сети питания, конденсатор заряжается. На одной его пластине накапливаются электроны (частицы с отрицательным зарядом), а на другой – ионы, которые заряжены положительно. Соприкосновению их мешает диэлектрик. Такое устройство конденсатора позволяет накопить заряд. Ведь, как только прибор подключается к источнику тока, напряжение в цепи равно нулю. Затем, по мере наполнения зарядами, напряжение становится равным тому, которое подается от источника.

После того, как прибор отключается от розетки или батареи, происходит разряд конденсатора. Нагрузка в электрической цепи сохраняется, для этого прибору нужны напряжение и ток, который передает устройство. Необходимость питания прибора заставляет электроны в конденсаторе двигаться к ионам, образуется ток, который передается к другим элементам.

Устройство конденсатора

Возможное применение устройств

Конденсаторы служат решению самых разнообразных задач. В частности, они активно используются при хранении аналоговых и цифровых данных, часто устанавливаются в телемеханических устройствах для регулирования сигналов в соответствующем оборудовании, что сохраняет его от различных повреждений и проблем.

Широко распространено применение конденсаторов в источниках бесперебойного питания, что позволяет сглаживать напряжение при подключении к приборам различного оборудования (компьютеры, оргтехника и так далее).

Обратите внимание! По такому же принципу устроен источник бесперебойного питания. Во время подключения к электрической цепи он накапливает заряд, который потом можно использовать в течение короткого времени, что делает возможным выключение техники без каких-либо сбоев, а это особенно актуально в современных условиях, когда информация имеет крайне большое значение.

Описываемые элементы нашли свое применение в различных преобразователях напряжения. В частности, их можно использовать для увеличения напряжения в сети, величина которого будет превышать входное значение.

Важно! Эксплуатация конденсатора в качестве временного источника питания имеет некоторые ограничения. Это объясняется наличием у диэлектрика хоть небольшой, но проводимости. Поэтому устройство со временем постепенно разряжается, следовательно, при необходимости иметь стабильный источник тока лучше воспользоваться аккумуляторной батареей.

Применение конденсаторов

Наличие возможности накопить заряд, а потом быстро его направить в сеть позволяет сделать устройство незаменимым элементом при изготовлении лазеров, вспышек для фотоаппаратов и других подобных приборов.

Таким образом, без использования описываемого устройства практически невозможно представить современную электронную и электротехническую промышленность. Благодаря пониманию того, как работает конденсатор, его активно применяют при производстве различных устройств, как промышленного, так и бытового назначения. Он помогает обеспечить безопасность электрической цепи и увеличивает срок службы различных приборов.

Видео

Как проверить конденсатор мультиметром

Оцените статью:

Электролитический конденсатор, теория и примеры

Онлайн калькуляторы

На нашем сайте собрано более 100 бесплатных онлайн калькуляторов по математике, геометрии и физике.

Справочник

Основные формулы, таблицы и теоремы для учащихся. Все что нужно, чтобы сделать домашнее задание!

Заказать решение

Не можете решить контрольную?!
Мы поможем! Более 20 000 авторов выполнят вашу работу от 100 руб!

Главная Справочник Физика Электролитический конденсатор

Определение и обще сведения о конденсаторах

Конденсаторы – это очень распространенный элемент радиоэлектронных схем. Они могут классифицироваться по разным показателям, в том числе, по виду диэлектрика. В электролитических конденсаторах в качестве диэлектрика используют тонкую пленку оксида (чаще всего это окислы алюминия, тантала, ниобия). Толщина ее составляет от м, что позволяет получить большую емкость конденсатора. Такая пленка характеризуется высокой электрической прочностью. Это важно, так напряженность электрического поля, которое создается в оксидной пленке довольно высокая и приближена к пределу теоретической прочности кристалла. Оксидная пленка получается в результате электрохимической реакции.

В зависимости от вещества и состояния электролита конденсатор является жидкостным (электролит — жидкость), сухим (электролит – вязкая паста) или оксидно – полупроводниковым (оксидный слой покрыт слоем полупроводника). Жидкостные и сухие электролитические конденсаторы имеют свои достоинства. Так, электролитические конденсаторы, имеющие в качестве диэлектрика жидкость, лучше охлаждаются, выдерживают большие нагрузки и могут восстанавливаться при пробое. Однако они имеют существенный ток утечки. Сухие электролитические конденсаторы обладают более простой конструкцией, чем жидкостные, несут меньшие потери при работе. Сухие электролитические конденсаторы в настоящее время применяются чаще.

Электролитические конденсаторы обладают большими емкостями при относительно малых размерах и невысокой стоимости.

Однако у них есть и недостатки, такие как: невысокая надежность, небольшая точность и стабильность, существенные потери энергии, плохое сопротивление изоляции. Они являются чувствительными к изменению температуры, так при увеличении температуры их емкость увеличивается. Электролитические конденсаторы сильно реагируют на перенапряжение, имеют рабочее напряжение (обычно) менее 500 В. Кроме того, конденсатор обладает полярностью и может снижать емкость со временем, так как электролит высыхает, оксидная пленка разрушается.

Электролитические конденсаторы используют в схемах с пульсирующим и постоянным напряжением. Часто электролитические конденсаторы имеют полярность. При последовательном соединении двух электролитических конденсаторов, имеющих одинаковую емкость, причем плюс с плюсом (или минус с минусом), получают неполярный конденсатор, который можно применять в цепях переменного тока для короткого времени работы. При этом суммарная емкость уменьшается. Для того, чтобы получить неполярный электролитический конденсатор оксидную пленку наносят на обе обкладки.

Принципиальное устройство электролитического конденсатора

Чаще всего электролитический конденсатор состоит из двух пластин из металла (например, алюминия), размещенных в электролите. На одну из пластин наносят пленку из оксида – эта пластина становится одной обкладкой конденсатора (рис.1) (анодом). Вторая обкладка – это электролит. Данная металлическая пластина, которая не имеет пленки, осуществляет контакт с электролитом.

Рис. 1

Виды электролитических конденсаторов

Электролитические конденсаторы в свою очередь разделяют на:

полимерные;

полимерные радиальные;

стандартной конфигурации;

миниатюрные;

полярные и не полярные;

низкоимпедансные и др.

Электролитические конденсаторы, имеющие в своем составе оксидную пленку, всегда являются полярными. Предельное напряжение для них зависит от вещества, так для алюминиевых конденсаторов максимальное напряжение составляет около 600 В, танталовые конденсаторы выдерживают около 175 В. Данный тип конденсаторов имеет существенный ток утечки (у алюминиевых конденсаторов около , у танталовых — ). Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют емкости от 2 до нескольких тысяч микро фарад и рабочие напряжения от 6В до 600 В.

Примеры решения задач

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Физика — Конденсаторы — Бирмингемский университет

Батарея накапливает электрическую энергию и высвобождает ее в результате химических реакций, это означает, что ее можно быстро заряжать, но разряжать медленно. В отличие от батареи, конденсатор представляет собой компонент схемы, который временно накапливает электрическую энергию за счет распределения заряженных частиц на (обычно двух) пластинах для создания разности потенциалов. Для зарядки конденсатора может потребоваться меньше времени, чем для зарядки аккумулятора, и он может очень быстро высвобождать всю энергию.

Перейти к:
Введение		Видео		В фокусе		Заключение		Следующие шаги

Сколько мы можем взимать?

При подключении к ячейке или другому источнику питания электроны будут течь с отрицательного конца клеммы и накапливаться на одной пластине конденсатора. Другая пластина будет иметь чистый положительный заряд, поскольку электроны теряются в батарее, что приводит к разности потенциалов, эквивалентной напряжению элемента.

Конденсатор характеризуется своей емкостью ( C ), обычно выражаемой в единицах фарад . Это отношение заряда ( Ом ) к разности потенциалов ( В ), где Кл = Ом/В

Чем больше емкость, тем больший заряд может удерживать конденсатор. Используя показанную установку, мы можем измерить напряжение, когда конденсатор заряжается через резистор, как функцию времени (t).

Как проверить поведение конденсатора?

Как найти постоянную времени?

Здесь вы можете увидеть график зависимости напряжения от времени при зарядке и разрядке конденсатора.

Уравнения кривых V-t для зарядки и разрядки конденсатора являются экспоненциальными, где напряжение пропорционально начальному напряжению в степени времени над емкостью. Таким образом, с небольшими математическими манипуляциями мы можем построить логарифмический график зависимости напряжения от времени разряжающегося конденсатора, чтобы легко получить постоянную времени ( τ = RC ) из градиента (-1/ RC ) и начальное напряжение из точки пересечения y.

Очень важно, чтобы используемый конденсатор имел большее номинальное напряжение, чем у элемента, и чтобы он был подключен с соблюдением полярности (отрицательная пластина должна быть подключена к отрицательному выводу элемента), иначе он может взорваться. Отрицательный конец обычно обозначается тире на корпусе конденсатора и обычно представляет собой более короткий контакт. Обратите внимание, однако, что не все конденсаторы поляризованы (обычно меньшие 9 конденсаторов).0047 мкФ единиц) и могут быть подключены любым способом. Еще одна важная вещь, о которой нужно позаботиться, это измерение напряжения через установленные промежутки времени. Одним из вариантов может быть использование осциллографа или использование конденсатора/резистора большего размера для увеличения времени зарядки/разрядки.

Что означают ваши измерения?

Конденсаторы являются обычным компонентом большинства электронных устройств и наиболее важны для хранения энергии. Поэтому разработка конденсаторов важна для технического прогресса аккумуляторов. Хотя текущее хранение энергии в значительной степени зависит от батарей, это может измениться в будущем, поскольку они медленно заряжаются и разряжаются, а вовлеченные химические процессы обычно вызывают потерю энергии за счет тепла. Хотя конденсаторы должны быть намного больше, чем батареи, чтобы хранить такое же количество заряда, они имеют значительные преимущества, включая гораздо более длительный срок службы и нетоксичные компоненты. Попытка заменить батареи этими суперконденсаторами и ультраконденсаторами является постоянной областью исследований.

Ранее мы говорили, что конденсаторы, в отличие от аккумуляторов, способны очень быстро разряжаться. По этой причине они находят широкое применение в нашей повседневной жизни и присутствуют почти во всех бытовых электронных устройствах. Они особенно полезны в устройствах, где требуется быстрый отклик, таких как лазеры и фотовспышки.

В эксперименте на видео выше мы продемонстрировали использование осциллографа для измерения постоянной времени конденсатора и узнали о важности полярности. Если у вас есть время, было бы интересно добавить в схему дополнительные компоненты. Добавив амперметр, мы можем измерить заряд и, следовательно, проделанную работу.

Если последовательно добавить конденсаторы, общая емкость составит 1/C = 1/C1+1/C2+1/C3+…+1/CN Где CN — емкость N-го конденсатора. . Добавление большего количества конденсаторов параллельно дает общую емкость C = C1+C2+C3+…+CN

Следующие шаги

Эти ссылки предоставляются для удобства и только в информационных целях; они не являются подтверждением или одобрением Бирмингемским университетом какой-либо информации, содержащейся на внешнем веб-сайте. Университет Бирмингема не несет ответственности за точность, законность или содержание внешнего сайта или последующих ссылок. Пожалуйста, свяжитесь с внешним сайтом для получения ответов на вопросы, касающиеся его содержания.

Объяснение конденсаторов — инженерное мышление

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

Прокрутите вниз, чтобы посмотреть обучающее видео на YouTube.

Помните, что электричество опасно и может привести к летальному исходу. Вы должны иметь квалификацию и компетентность для выполнения электромонтажных работ. Не прикасайтесь к клеммам конденсатора, так как это может привести к поражению электрическим током.

Что такое конденсатор?

Конденсатор и батарея

Конденсатор накапливает электрический заряд. Это немного похоже на батарею, но хранит энергию по-другому. Он не может хранить столько энергии, хотя может заряжаться и высвобождать свою энергию намного быстрее. Это очень полезно, и именно поэтому вы найдете конденсаторы, используемые почти на каждой печатной плате.

Как работает конденсатор?

Я хочу, чтобы вы сначала подумали о водопроводной трубе, по которой течет вода. Вода будет течь до тех пор, пока мы не закроем вентиль. Тогда вода не может течь.

Если после вентиля пустить воду в бак, то в баке останется часть воды, но мы продолжаем получать воду, вытекающую из трубы. Когда мы закроем клапан, вода перестанет поступать в бак, но мы все равно будем получать стабильную подачу воды, пока бак не опустеет. Как только бак снова наполняется, мы можем открывать и закрывать клапан, и пока мы не полностью опорожняем бак, мы получаем непрерывную 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 это, чтобы сгладить перебои в поставке.

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

Внутри основного конденсатора у нас есть две проводящие металлические пластины, которые обычно сделаны из алюминия или алюминия, как его называют американцы. Они будут разделены диэлектрическим изоляционным материалом, таким как керамика. Диэлектрик означает, что материал будет поляризоваться при контакте с электрическим полем. Вскоре мы увидим, что это значит.

Внутри конденсатора

Одна сторона конденсатора подключена к положительной стороне цепи, а другая сторона подключена к отрицательной. На стороне конденсатора вы можете увидеть полосу и символ, указывающий, какая сторона в минусе, кроме того, минусовая ножка будет короче.

Если мы подключим конденсатор к батарее. Напряжение будет толкать электроны от отрицательной клеммы к конденсатору. Электроны будут накапливаться на одной пластине конденсатора, в то время как другая пластина, в свою очередь, высвободит некоторое количество электронов. Однако электроны не могут пройти через конденсатор из-за изоляционного материала. В конце концов, конденсатор имеет то же напряжение, что и батарея, и электроны больше не будут течь.

Теперь с одной стороны скопились электроны, это означает, что мы накопили энергию и можем высвобождать ее, когда это необходимо. Поскольку на одной стороне больше электронов, чем на другой, и электроны заряжены отрицательно, это означает, что у нас есть одна сторона, которая является отрицательной, и одна сторона, которая положительна, поэтому между ними существует разница потенциалов или разность напряжений. Мы можем измерить это с помощью мультиметра.

Что такое напряжение?

Напряжение похоже на давление, когда мы измеряем напряжение, мы измеряем разницу или разность потенциалов между двумя точками. Если представить водопроводную трубу под давлением, мы можем увидеть давление с помощью манометра. Манометр также сравнивает две разные точки: давление внутри трубы с атмосферным давлением снаружи трубы. Когда бак пуст, манометр показывает ноль, потому что давление внутри бака равно давлению снаружи бака, поэтому манометру не с чем сравнивать. Оба имеют одинаковое давление. То же самое с напряжением, мы сравниваем разницу между двумя точками. Если мы измерим батарею на 1,5 В, то получим разницу в 1,5 В между каждым концом, но если мы измерим тот же конец, то получим ноль, потому что разницы нет, это то же самое.

Хотите научиться основам электричества? НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ

Возвращаясь к конденсатору, мы измеряем и считываем разницу напряжений между ними из-за накопления электронов. Мы по-прежнему получаем это показание, даже когда мы отключаем 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 достичь их из-за изолирующего материала. Это притяжение между двумя сторонами представляет собой электрическое поле, которое удерживает электроны на месте до тех пор, пока не будет проложен другой путь.

Объяснение основ работы с конденсатором

Если мы затем поместим в цепь маленькую лампу, появится путь для движения электронов и достижения противоположной стороны. Таким образом, электроны будут течь через лампу, питая ее, и достигнут другой стороны конденсатора. Однако это продлится недолго, пока количество электронов не выровняется с каждой стороны. Тогда напряжение равно нулю, поэтому толкающая сила отсутствует, и электроны не текут.
Как только мы снова подключим батарею, конденсатор начнет заряжаться. Это позволяет нам прерывать подачу питания, и конденсатор будет обеспечивать питание во время этих перерывов.

Примеры

Мы везде используем конденсаторы. Они немного отличаются, но их легко заметить. На печатных платах они обычно выглядят примерно так, и мы можем видеть их на инженерных чертежах вот так. Мы также можем получить более крупные конденсаторы, которые используются, например, в асинхронных двигателях, потолочных вентиляторах или кондиционерах, и мы можем даже получить такие огромные конденсаторы, которые используются для коррекции низкого коэффициента мощности в больших зданиях.

Пример символов конденсатора

На стороне конденсатора мы найдем два значения. Это будут емкость и напряжение. Мы измеряем емкость конденсатора в фарадах, которые мы обозначаем заглавной буквой F, хотя обычно мы измеряем конденсатор в микрофарадах, поэтому непосредственно перед ним у нас есть микросимвол, который выглядит как буква U с хвостиком.

Пример емкости

Другое значение — это наше напряжение, которое мы измеряем в вольтах с большой буквы V, на конденсаторе значение напряжения — это максимальное напряжение, которое может выдержать конденсатор.

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

Пример напряжения конденсатора

Большинство конденсаторов имеют положительную и отрицательную клеммы. Нам нужно убедиться, что конденсатор правильно подключен к цепи.

Пример печатной платы конденсатора

Почему мы их используем

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

Другим распространенным применением является сглаживание пиков при преобразовании переменного тока в постоянный.
Когда мы используем полный мостовой выпрямитель, синусоида переменного тока переворачивается, чтобы заставить отрицательный цикл течь в положительном направлении, это заставит схему думать, что она получает постоянный ток.

через GIPHY

Но одной из проблем этого метода являются промежутки между пиками. Таким образом, мы используем конденсатор для высвобождения энергии в цепь во время этих прерываний, и это сглаживает источник питания, чтобы он больше походил на постоянный ток.

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

С конденсаторами следует быть очень осторожными, так как они накапливают энергию и могут сохранять высокое напряжение в течение длительного времени, даже будучи отключенными 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.