Конструкция конденсатора – Конденсатор — электронное устройство, принцип работы, функциональное назначение, разновидности.

5.1 Типы и конструкции конденсаторов. Назначение и классификация

выше, чем при охлаждении воздухом. По этой причине для машин средней и крупной производительности до недавнего времени применялись исключительно конденсаторы водяного охлаждения, В связи с возникшей проблемой сокращения потребления пресной воды ряд отраслей промышленности, в том числе и холодильная, осуществляют переход от водяного охлаждения к воздушному.

Высокая эффективность работы конденсатора является непременным условием экономичности холодильной машины. Так, понижение

1,5%. Такой же энергетический эффект достигается при охлаждении жидкого холодильного агента на 10˚С ниже температуры конденсации. Из этого видно, что требование высокой интенсивности процесса теплопередачи является для конденсатора особенно важным. Для выполнения этого требования необходимо, чтобы конструкция конденсатора обеспечивала:

температуры конденсации на один градус (с 30 до 29˚С) для холодильной машиныСЕВМАШВТУЗс поршневым компрессором, работающей при средних температурах кипения, приводит к уменьшению удельного расхода энергии примерно на

1) быстрое удаление конденсата с поверхности теплопередачи;

2) выпуск воздуха и других неконденсирующихся газов;

3) удаление масла в аммиачных аппаратах;

4) удаление загрязнений со стороны охлаждающей среды: водяного камня и других отложений в аппаратах водяного охлаждения; пыли, копоти, ржавчины в конденсаторах воздушного охлаждения.

Практика показывает, что выполнить в полной мере все требования (многообразные и в ряде случаев противоречивые) невозможно. Максимально полное их выполнение и составляет основы разработки рациональных конструкций теплообменных аппаратов.

5.1.1 Горизонтальные кожухотрубные конденсаторы

Аппараты этого типа получили широкое распространение для аммиачных и хладоновых холодильных машин в большом интервале производительности. Рассмотрим конструкцию аммиачного конденсатора (см. рис.15).

К цилиндрическому кожуху 1 с обеих сторон приварены трубные решетки2, в которых развальцованы трубы6, образующие поверхность теплопередачи. К фланцам трубных решѐток на болтах прикреплены крышки3 с внутренними перегородками20.

Пары аммиака поступают в верхнюю часть кожуха через вентиль 4 и конденсируются в межтрубном пространстве аппарата. Жидкий аммиак

выходит из маслосборника 17 через вентиль19. Масло, проникающее в конденсатор с парами агента, как более тяжелое и малорастворимое в аммиаке осаждается в маслосборнике17 и периодически удаляется через вентиль18. Внутри корпуса приварены перегородки7, предотвращающие вибрацию трубного пучка от пульсации пара.

studfiles.net

принцип работы и для чего нужен?

Конденсатор — это устройство, предназначенное для накопления зарядов. От латинского слова condensare — уплотнять, сгущать, накапливать. Он стал одним из обязательных кирпичиков, из которых строятся электрические схемы.

Принцип работы конденсатора

Конденсатор, видимо, есть самый первый прибор, с помощью которого научились достаточно долго удерживать электрические заряды в одном месте.

Если зарядить какой-нибудь диэлектрик трением, например, ту же классическую расческу, потерев ее шерстью, то заряд на ее поверхности останется на некоторое время. Однако ни накопить его, ни как-то использовать не удастся: кроме пары-тройки фокусов с притягиванием к расческе всякого мусора, ничего не выйдет. Металл же зарядить трением вообще невозможно. Все заряды, которые были бы как-то им приняты, на поверхности не удерживаются, а разбегаются сразу по всей массе применяемого металла. Или сбегают с него, благодаря большой площади контакта с воздухом, всегда содержащим влагу, что делает задачу невозможной.

Удалось придумать накопление электричества благодаря свойству притяжения друг к другу зарядов разного знака. Если два листочка из фольги прижать друг к другу, проложив между ними тонкий слой хорошего диэлектрика, то такой сэндвич можно зарядить, прикоснувшись телами, содержащими заряды разного знака, к разным листочкам фольги. Заряды разного знака притягиваются друг к другу и обязательно побегут в фольге навстречу друг другу. Они бы и разрядились, не будь между слоями фольги диэлектрика. И заряды только растекутся каждый по своему листу фольги и, притягиваясь друг к другу, будут находиться в ней достаточно долго.

Вот это и называется конденсатор. Чем больше площадь фольги — тем больше емкость. Чтобы добиться большой площади, фольгу с изолятором сворачивают рулоном — две ленты фольги и две ленты бумаги — и помещают в банку, выводя наружу от каждой ленты по контакту. Снаружи банка запаивается, чтобы предотвратить поступление влаги внутрь. Вездесущая влага же и является причиной, по которой бумажную ленту пропитывают парафином.


Устройство конденсатора

а) устройство, б) внешний вид

1 – фольговые обкладки, 2 – внутренние выводы обкладок,
3 – парафинированная бумага, 4 – металлический корпус, 5 – провод

На рисунке изображено, как устроен простейший фольговый автомобильный конденсатор. У него один контакт выведен от одной обкладки наружу проводом, а другим является металлический корпус, внутри присоединенный ко второй обкладке.

Работа конденсатора в электрической цепи

Уже давно мы отошли от понимания электричества в терминах движения, действия зарядов и так далее. Теперь мы мыслим понятиями электрических цепей, где обычными вещами являются напряжения, токи, мощность. И к рассмотрению поведения зарядов прибегаем только, чтобы понять, как работает в цепи какое-нибудь устройство.

Например, конденсатор в простейшей цепи постоянного электрического тока является просто разрывом. Обкладки ведь не соприкасаются друг с другом. Поэтому, чтобы понять принцип действия конденсатора в цепи, придется все-таки вернуться к поведению зарядов.

Зарядка конденсатора

Соберем простую электрическую цепь, состоящую из аккумулятора, конденсатора, резистора и переключателя.


Конденсатор: принцип действия

εc  – ЭДС аккумулятора, C – конденсатор, R – резистор, K – переключатель  

Когда переключатель никуда не включен, тока в цепи нет. Если подключить его к контакту 1, то напряжение с аккумулятора попадет на конденсатор. Конденсатор начнет заряжаться настолько, насколько хватит его емкости. В цепи потечет ток заряда, который сначала будет довольно большим, а по мере зарядки конденсатора будет уменьшаться, пока совсем не сойдет на нуль.

Конденсатор при этом приобретет заряд такого же знака, как и сам аккумулятор. Разомкнув теперь переключатель К, получим разорванную цепь, но в ней стало два источник энергии: аккумулятор и конденсатор.


Конденсатор

Разрядка конденсатора

Если теперь перевести переключатель в положение 2, то заряд, накопленный на обкладках конденсатора, начнет разряжаться через сопротивление R.

Причем, сначала, при максимальном напряжении, и ток будет максимальным, величину которого можно вычислить, зная напряжение на конденсаторе, по закону Ома. Ток будет течь, то есть конденсатор будет разряжаться, а напряжение его падать. Соответственно и ток будет все меньше и меньше. И когда в конденсаторе заряда совсем не останется, ток прекратится.


Процессы внутри конденсатора

У ситуации, описанной в этих двух случаях, есть интересные особенности:

  1. Электрическая батарея постоянного напряжения, работая в цепи с конденсатором, дает, тем не менее, переменный ток: при зарядке он изменяется от максимального значения до 0.
  2. Конденсатор, имея некоторый заряд, при разряжении через резистор, даст тоже переменный ток, изменяющийся от максимального значения до 0.
  3. В обоих случаях после непродолжительного действия ток прекращается. Конденсатор в обоих случаях после этого демонстрирует разрыв в цепи — ток больше не течет.

Описанные процессы называются переходными. Они имеют место в электрических цепях с постоянным напряжением питания, когда в них установлены реактивные элементы. После прохождения переходных процессов реактивные элементы перестают влиять на режимы токов и напряжений в электрической цепи. Время, в течение которого переходный процесс завершается, зависит как от емкости конденсатора C, так и от активного сопротивления нагрузки R. Очевидно, что чем они больше, тем больше нужен и интервал времени, пока переходный процесс не завершится.

Параметр, характеризующий время переходного процесса, называется «постоянной времени» для данной схемы, обозначается греческой буквой «тау»:

Формула

Произведение сопротивления в омах на емкость в фарадах, если рассмотреть внимательно эти единицы измерения, действительно дает величину в секундах. 

Однако переходный процесс разрядки конденсатора — это процесс плавный. То есть, грубо говоря, он не заканчивается никогда.


Временная диаграмма разрядки конденсатора через резистор

Uc  – напряжение  на конденсаторе (вольт), U0  – первоначальное напряжение заряженного конденсатора, t – время (сек)

На рисунке видно, что конденсатор будет разряжаться «всегда», так как чем меньше на нем остается зарядов, тем меньший ток будет бежать по цепи, следовательно, тем медленнее будет идти процесс разрядки. Процесс экспоненциальный. По времени отложены значения в секундах величин, кратных постоянной времени. С некоторых значений можно считать процесс практически законченным, например, при 5t, когда напряжения на конденсаторе осталось порядка 0,7%.

Режим, когда переходный процесс завершен, называется стационарным, или режимом постоянного тока.

Принцип работы на переменном напряжении

Так же, как в механике масса обладает свойством инерции, в электричестве заряд в конденсаторе тоже проявляет инерционность. Действительно, при любых электрических процессах он начинает подзаряжаться (если напряжение на его контактах имеет такую же полярность, как и заряд в нем) или разряжаться (если полярность противоположная). Это влияет на картину токов в цепи, а на синусоидальном токе проявляется как сдвиг фазы между напряжением и током.

Фактически в цепи переменного тока непрерывно происходит переходный процесс.

Конденсатор в цепи переменного тока
Процессы в конденсаторе

Переменное напряжение U то подзаряжает, то разряжает конденсатор, в результате этого в нем течет ток I, сдвинутый по времени на 90° от периода колебаний напряжения.

Формула

Считается, что конденсатор пропускает переменный ток, причем введен параметр «кажущееся сопротивление конденсатора». Он зависит от емкости конденсатора С и от частоты переменного напряжения ω.

Это реактивное сопротивление, которое используется в расчетах цепей, содержащих инерционные, реактивные компоненты. То есть везде, где применяются конденсаторы и катушки индуктивности.

Назначение компонента

Из рассмотренных свойств ясно, что нужны конденсаторы не как источники электрического питания, а именно как реактивные элементы схем, чтобы создавать определенные режимы переменного/импульсного тока.

Используются конденсаторы настолько многообразно, что здесь, на уровне «конденсатор для чайников», можно перечислить только бегло их применение:

  • В выпрямителях служат для сглаживания пульсаций тока.
  • В фильтрах (совместно с резисторами и/или индуктивностями) выступают в роли частотно зависимого элемента для выделения или гашения определенной полосы частот.
  • В колебательных контурах используется конденсатор, работающий при генерации синусоидального напряжения.
  • Несут функцию накопителя в устройствах, где нужно обеспечить мгновенное выделение большой энергии в виде импульса — например, в фотовспышках, лазерах и т.д.   
  • Используются в схемах точного управления временными событиями с использованием простейших по строению RC-цепей — реле времени, генераторы одиночных импульсов и т.д.
  • Фазосдвигающий конденсатор применяется в схемах питания синхронных и асинхронных, а также однофазных и трехфазных двигателей переменного тока.

Кроме собственно прибора «конденсатор», вполне успешно используются в технике явления, в основе которых лежит электрическая емкость.

Уровень можно измерить, используя факт того, что  жидкость, поднимаясь в датчике между проводниками, играющими роль обкладок, меняет диэлектрическую проницаемость среды, а, следовательно, и емкость прибора, что он и показывает как изменение уровня.


Если жидкость — вода, то она и сама может играть роль обкладки
Измерение сверхмалых толщин

Аналогично этому, сверхмалые толщины можно измерять, меняя расстояние между двумя проводниками-обкладками или их эффективную площадь.

Похожие статьи:

domelectrik.ru

Принцип работы и устройство конденсатора

Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассказывал о методах расчёта электрических цепей, в которых основным элементом является резистор. Резистор представляет собой один из элементов с сосредоточенными параметрами, в данном случае таким параметром является сопротивление. Однако кроме сопротивления ещё одними из основных параметров элементов цепи являются ёмкость и индуктивность, которые представлены элементами конденсатор и индуктивными элементами (различные дросселя, катушки, трансформаторы и т.д.). В данной статье я рассмотрю такой элемент с сосредоточенными параметрами, как конденсатор.

Проводник в электрическом поле

Помещая проводник в электрическое поле, носители заряда внутри проводника начинают перемещаться. Причем данное перемещение подчиняется двум правилам:

  1. Напряжённость электрического поля внутри проводника должно равняться нулю

    Это означает, что потенциал внутри проводника остается постоянным (φ = const).

  2. Напряжённость поля на поверхности проводника направлена перпендикулярно к самой поверхности данного проводника. Или другими словами поверхность проводника становится эквипотенциальной, то есть все точки данной поверхности имеют одинаковый потенциал.

Из этих двух правил следует, что когда проводник вносится в электрическое поле его носители заряда (в металлах это электроны, а в жидкостях – ионы) приходят в движение, причем положительные по направлению напряжённости электрического поля, а отрицательные в противоположную сторону. Результатом движения зарядов в проводнике является возникновение зарядов противоположного знака на концах проводника, такие заряды называют индуцированными. Перераспределение заряда в проводнике показано на рисунке ниже


Распределение носителей зарядов проводника в электрическом поле.

Таким образом, нейтральный проводник, помещённый в электрическое поле, как бы разрывает часть линий электрического поля, а индуцированные заряды распределяются по поверхности проводника.

Практический интерес представляет следующая ситуация, когда внутри проводника имеется некоторая полость. Так как индуцирование зарядов происходит на поверхности проводника, то внутри этого проводника, а значит и во внутренней полости электрическое поле обращается в нуль. На данном явлении основана электростатическая защита, когда необходимо защитить какой-нибудь прибор от воздействия электрического поля, то его помещают внутрь экрана из проводника. Индуцированные заряды на поверхности экрана скомпенсируют электростатическое поле. Вместо сплошного экрана часто используют экран из электропроводящей сетки, что тоже позволяет создать защиту от электростатического поля.

Электроемкость

Если на проводник переместить некоторый заряд q, то он как мы уже знаем, распределится по всей поверхности проводника, так чтобы напряженность электрического поля внутри него была равна нулю. Однако относительно любой точки пространства данный проводник будет обладать некоторым потенциалом φ. Если на данный заряженный проводник переместить ещё один заряд, то опять же он равномерно распределится по всей поверхности проводника, а величина потенциала вырастит на некоторую величину.

Таким образом, между величиной заряда проводника и его потенциалом существует связь, которая определяется следующим выражением

где q – величина заряда, сообщенная проводнику,

φ – потенциал проводника относительно любой точки пространства,

С – коэффициент пропорциональности, называемый электроемкостью проводника, или просто емкостью.

Исходя из этого, электроемкость проводника может быть вычислена из следующего выражения

Таким образом, электроемкость численно равна заряду, передача которого проводнику повышает его потенциал на единицу. Единица измерения электроемкости называется Фарада (обозначается Ф).

Однако емкость уединенного проводника невелика, так емкостью в 1 Ф обладает шар радиусом 9*109 м, что почти в 1500 раз больше радиуса Земли. Поэтому на практике используют специальные устройства для накопления зарядов и обладающие большой емкостью при минимальных размерах. Такие устройства называются конденсаторами.

Конденсаторы

Принцип действия конденсатора основывается на явлении индуцирования зарядов на проводнике в электрическом поле или на свойстве диэлектрика поляризоваться под воздействием электрического поля, а также возрастания электроемкости проводника при приближении к нему других тел. Рассмотрим подробнее.

Как известно из предыдущего параграфа, что если к заряженному телу, вокруг которого существует электрическое поле поднести проводник, то на поднесенном проводнике начнут индуцироваться заряды, в результате чего потенциал заряженного проводника будет уменьшаться, а, следовательно, электроемкость возрастать. Поэтому конденсаторы делают в виде двух близкорасположенных проводников, называемых обкладками конденсатора.

Чтобы ограничить влияние посторонних предметов на электрическое поле конденсатора, а следовательно и его емкость, обкладки изготавливают такими, чтобы электрическое поле создаваемое ими было полностью сосредоточенно внутри конденсатора. Такому условию соответствуют плоские, цилиндрические и сферические конденсаторы.

Так как обкладки расположены очень близко, то практически весь заряд обкладок будет сосредоточен на их внутренних поверхностях, то есть обращённых друг к другу, поэтому емкость конденсатора будет определяться следующим выражением

где q – заряд одной из обкладок конденсатора,

φ1 и φ2 – потенциалы обкладок конденсатора.

Самым простым является плоский конденсатор, его мы и рассмотрим в качестве примера.

Плоский конденсатор

Плоский конденсатор представляет собой две одинаковые пластины площадью S, расположенные параллельно, расстояние между пластинами d очень незначительно по отношению к размерам самих пластин, поэтому практически всё электрическое поле сосредоточенно между пластинами-обкладками. Кроме этого между пластинами расположен диэлектрик, который имеет диэлектрическую проницаемость ε, зависящую от свойств диэлектрика.


Плоский конденсатор.

Тогда разность потенциалов между обкладками конденсатора будет определяться следующим выражением

где S – площадь обкладки конденсатора,

d – расстояние между обкладками,

ε0 – электрическая постоянная, ε0 = 8,85 * 10-12 Кл2/(Н*м2),

ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, зависящая от его свойств.

Тогда емкость плоского конденсатора будет определяться по следующей формуле

На этом с физикой, пожалуй, закончим и приступим к электронике.

Реальный конденсатор

В прошлой статье я рассказал об идеальных элементах электрических схем (я рассматривал сопротивление, как идеальный резистор). Идеальный элемент конденсатор отличается от реального конденсатора наличием паразитных характеристик, для определения этих характеристик рассмотрим эквивалентную схему реального конденсатора изображённую ниже


Эквивалентная схема замещения конденсатора.

Кроме непосредственно емкости конденсатора можно выделить следующие параметры, которые являются паразитными и в некоторых схемах не позволяют использовать конденсаторы некоторых типов. Таким параметрами являются сопротивление утечки Rут, эквивалентное последовательное сопротивление RЭПС (или ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность LЭПИ (или ESL). Разберём каждый параметр в отдельности.

Сопротивление утечки Rут конденсатора определяется как отношение постоянного напряжения, до которого заряжен конденсатор Uc к току утечки Iут

эквивалентную схему реального конденсатора изображённую ниже

Ток утечки существует в любом случае, так как сопротивление изоляции и диэлектрика не может быть бесконечным. Вследствие этого заряженный конденсатор с течением времени теряет некоторый заряд. Поэтому часто в документации на конденсаторы вводится параметр постоянная времени саморазряда конденсатора Т = RутС0.

Современные высококачественные конденсаторы имеют постоянную времени саморазряда несколько сотен тысяч часов.

Эквивалентное последовательное сопротивление RЭПС или ESR довольно важный параметр в некоторых схемах, в частности, в схемах выпрямления импульсных блоков питания и стабилизаторах напряжения. Связан с непосредственным сопротивлением обкладок конденсатора и его выводов, а также с потерями в диэлектрике. Довольно часто служит показателем исправности конденсатора и для его измерения используют приборы ESR-метры.

Эквивалентная последовательная индуктивность LЭПИ или ESL, данный параметр обусловлен, прежде всего, индуктивностью обкладок конденсатора и его выводов. Данный паразитный параметр вместе с емкостью конденсатора образует последовательный колебательный контур с собственной частотой резонанса. Поэтому для конденсаторов нормируется максимальная частота работы.

Тангенс угла потерь конденсатора tgδ характеризует работу конденсатора при переменном напряжении. В идеальном конденсаторе, в котором отсутствуют паразитные параметры tgδ = 90°. Но в реальных конденсаторах часть энергии рассеивается на сопротивлении обкладок и в диэлектрике, то есть на RЭПС вследствие чего tgδ отличается от 90° в меньшую сторону. Тангенс угла потерь вычисляется по следующему выражению

В следующих статьях я расскажу о работе конденсаторов при переменном напряжении, где проявляются основные свойства данного электронного компонента.

Теория это хорошо, но теория без практики — это просто сотрясание воздуха. Перейдя по ссылке всё это можно сделать своими руками

Скажи спасибо автору нажми на кнопку социальной сети

www.electronicsblog.ru

Принцип работы и назначение конденсатора в электрической цепи

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

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

Оцените статью:

elquanta.ru

2.2.3. Основные конструкции конденсаторов постоянной емкости

Наиболее
распространенны следующие конструкции
конденсаторов постоянной емкости.

  1. Рулонная.
    В этом случае тонкая пленка диэлектрика
    с двух сторон перекладывается
    металлическими обкладками, после чего
    вся система сворачивается в рулончик.(рис.
    2.3,а). Такую конструкцию имеют бумажные
    (К41, К42), полистирольные (К71), фторопластовые
    (К72), полиэтилентерефталатные (К73) и
    другие конденсаторы с пластичным или
    гибким диэлектриком. В качестве
    металлических обкладок используют
    тонкую фольгу из олова или алюминия,
    или напыливают ее на диэлектрик.
    Недостатками такой конструкции являются:
    большая индуктивность и относительно
    малая удельная емкость. Такие конденсаторы
    нельзя использовать как помехозащитные.

  2. Пакетная.
    В
    этом случае тонкие пластины диэлектрика
    перекладывают металлическими обкладками
    поочередно. После этого такую систему
    сжимают в пакет, а металлические обкладки
    замыкают через одну (рис. 2.3,б). Металлические
    обкладки тоже могут быть как из фольги,
    так и напыленными. Такая конструкция
    имеет небольшую индуктивность, но
    маленькую удельную емкость. В пакетной
    конструкции изготовляют слюдяные (31),
    стеклянные (21), лакопленочные (76)
    конденсаторы, а также некоторые
    керамические.

  3. Цилиндрические.
    Диэлектрик изготовляют как пустотелую
    трубку, внешнюю и внутреннюю поверхности
    которой металлизируют (рис. 2.3,в). Такая
    конструкция имеет очень малую
    индуктивность, но и малую удельную
    емкость. Поэтому такие конденсаторы
    используют как высокочастотные. Такие
    конденсаторы изготовляют, прежде всего,
    из керамики (К10, К15).

  4. Оксидные.
    В этом случае диэлектриком служит оксид
    металла. Например, для конденсаторов
    оксидно-алюминиевых (К50) это Al2O3,
    а для оксидно-танталовых (К51) — Ta2O3.
    Одной обкладкой служит металлическая
    фольга (анод), а другой (катод) служит
    электролит, которым пропитывают
    прокладку из бумаги или ткани (рис.
    2.3,г). Такие конденсаторы имеют большую
    удельную емкость, но относительно
    низкие напряжения и большие диэлектрические
    потери. Кроме того, по мере службы
    происходит высыхание электролита и
    конденсатор теряет свою емкость.
    Особенно это касается оксидно-алюминиевых
    конденсаторов типа К-50.

  5. Литые
    секционные.

    Такую конструкцию имеют керамические
    конденсаторы. С керамики отливают
    “гребенку” с очень тонкими стенками.
    Зазор между стенками металлизируют
    (рис. 2.3,д). Такие конденсаторы имеют
    большую удельную емкость и малую
    индуктивность. Это керамические
    конденсаторы типа К10, КМ-4, КМ-5 и
    керамические SMD-конденсаторы.

  6. Опорные
    и проходные конденсаторы.

    Они относятся к классу помехоподавляющих
    конденсаторов. Опорный
    конденсатор

    — это такой конденсатор, в котором один
    из выводов представляет собой опорную
    металлическую пластину с резьбовым
    соединением и соединяется с корпусным
    заземлением, а второй вывод служит для
    ввода цепей питания (рис.2.4 а). Проходной
    конденсатор

    – это такой конденсатор, который имеет
    коаксиальную конструкцию. Один из
    выводов такого конденсатора представляет
    собой токонесущий стержень, по которому
    протекает полный ток внешней цепи, а
    второй вывод соединяется с корпусным
    заземлением (рис.2.4 б).

studfiles.net

Конденсаторы: назначение, устройство, принцип действия

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

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

Рисунок 1

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

Рисунок 2

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

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

Рисунок 3

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

Диэлектрическая проницаемость среды ε и ток утечки

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

Электролитические конденсаторы

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

Рисунок 4

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

Принцип действия конденсаторов

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

Рисунок 5

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

Рисунок 6

Рисунок 7

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

Рисунок 8

Конденсаторы в блоках питания

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

Рисунок 9

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

— для двухполупериодного выпрямителя

[size=16]

C = Po / 2∙U∙f∙dU

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

— для однополупериодного выпрямителя

C = Po / U∙f∙dU

— для трехфазного выпрямителя

C = Po / 3∙U∙f∙dU

Суперконденсатор – ионистор

Ионистор – новый класс электролитических конденсаторов (рисунок 10).

Рисунок 10

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

Статьи по теме:
Про резисторы для начинающих заниматься электроникой

ukrelektrik.com

Устройство конденсатора

Министерство образования РФ.

ГОУ НПО СО Профессиональный лицей № 16

Курсовая работа

«Конденсаторы»

Исполнитель: учащийся

ПЛ. № 16 группы Р-316

Пьянков Александр Борисович

Руководитель: преподаватель

радиоматериалов

ПЛ. №16 Потапова Ольга

Александровна

Камышлов 2009

Содержание

Введение

1. Основная часть

Материалы

Исторический очерк

Виды конденсаторов

Особенности керамического конденсатора

Маркировка и классификация конденсаторов

2. Применение и эксплуатация

Эксплуатационные факторы и их воздействие

Механические нагрузки

Радиационные воздействия

Электрические нагрузки

Частотные свойства и особенности их работы в импульсных режимах

Цель:
Исследовать работу, состав и конструктивные особенности конденсатора.

Задачи:
Главной моей задачей является поглубже изучить конденсаторы, понять его состав. Выяснить материалы, электрические параметры. Больше разобрать маркировку и проанализировать применение.

Конденсатор — наз. прибор, служащий для скопления на поверхности небольшого объема вещества большого количества электричества без значительного повышения при этом напряжения электричества в теле. Одно и то же количество электричества, будучи придано различным телам, вызовет в них неодинаковое повышение напряжения, подобно тому, как одно и то же количество тепла повысит температуру различных тел на различное число градусов. Обратно, чтобы повысить напряжение (потенциал) различных тел на одну и ту же величину, нужны различные количества электричества, для одних тел весьма малые, для других весьма большие. О первых телах говорят, что они обладают малой электрической емкостью, о вторых, что их электрическая емкость весьма велика. Вообще же, электроемкость тела определяется тем количеством единиц электричества — кулонов, которые следует придать телу, чтобы повысить его потенциал на единицу электрического потенциала — на один вольт. Поэтому за единицу электрической емкости принята емкость тела, которому нужно придать один кулон, чтобы повысить потенциал его на один вольт. Эта единица емкости в честь английского ученого Фарадея названа одной фарадой. Итак, если некоторому телу необходимо придать n кулонов для того, чтобы повысить его потенциал на 1вольт, 2n — чтобы повысить на 2 вольта и т.д., то емкость этого тела будет n фарад. Емкость каждого отдельно взятого тела зависит от геометрической его формы и от его размеров, но нисколько не зависит ни от вещества, из которого оно приготовлено, ни от массы тела. Так, емкости свинцового и алюминиевого шара того же диаметра, массивных или полых, равны, но емкость свинцового шара изменится, когда мы его массу расплющим и придадим ей форму эллипсоида. Нет общего закона, который просто давал бы зависимость между формой и размерами тела и его емкостью. Наиболее простому закону следует шар, емкость которого пропорциональна его радиусу. Пользуясь этим, можно за единицу емкости принять емкость шара радиусом в 1 см. Эта единица емкости называется абсолютной теоретической единицей и в 900000000000 раз меньше одной фарады. Отсюда видим, что для емкости в 1 фараду был бы нужен шар радиусом в 9 млн. км., т.е. с диаметром, в 7 раз большим диаметра солнца. На практике принята за единицу емкости одна миллионная доля фарады — одна микрофарада, которая, таким образом в 900000 раз больше теоретической единицы. Электрич. емкость шара, равного земле, равна 708микрофарадам. Емкость тел зависит, кроме того:

1) от природы непроводящей среды, окружающей тело. Все вышесказанное относится к случаю нахождения тела в пустоте (или приблиз. в воздухе). Если же тело окружено другим диэлектриком, то его емкость будет больше или меньше, чем в пустоте; число, дающее отношение емкости тела в данном диэлектрике к емкости того же тела в пустоте, называется диэлектрической постоянной этого вещества. У всех твердых и жидких изоляторов диэл. постоянная больше, чем у воздуха, у которого она весьма мало разнится от единицы.

2) От присутствия в близости рассматриваемого тела других тел, имеющих другой электр. потенциал. Таким образом, все сказанное выше относится вполне точно лишь к случаю одного проводящего тела, окруженного безграничной изолирующей средой. Емкость тел значительно увеличивается, если к ним приблизить другие проводящие тела, в особенности тела, имеющие всегда потенциал ноль, т.е. соединенные с землей. Увеличениe емкости будет тем более, чем ближе эти тела к заряженному телу и чем полнее они его окружают. Итак, если мы желаем какому-либо телу придать весьма большую емкость, то мы должны поместить его в среду с большой диэлектрической постоянной и возможно близко к нему поместить другое тело, соединенное с землей. Такая комбинация проводников и называется конденсатором. В простейшем виде К. представляют две металлические пластины А и В, весьма близкие друг к другу и разъединенные друг от друга каким либо изолирующим слоем (обкладки): А. заряжаема электричеством от постоянного источника (машины, батареи) и назыв. собирателем, а В соединена с землей и наз. сгустителем. Если А заряжается положительным электричеством, то на В возбуждается отрицательное электричество; если затем разобщить соединение В с землей, II соединить А и В проводником, то К. разряжается. Емкость конденсатора зависит от формы и размеров собирателя и сгустителя, от их расстояния и от диэлектрической постоянной среды, между ними находящейся. В некоторых простейших случаях емкость К. можно вычислить:

1) обкладки представляют две весьма близкие концентрические шаровые поверхности, или две бесконечные пластины, очень близкие друг к другу. Если расстояние между обкладками равно 1 (в см), поверхность собирателя равна S’ (в кв. см), то емкость С равна микрофарад, где К — диэл. постоянная среды, а (отношение окружности к диаметру (p= 3,1416). Например, К. из двух пластин в 1 кв. м., разделенных пластинкой стекла (К = 5) в1 мм., имеет емкость около 1/23микрофарады. Если пластины имеют сравнительно небольшие размеры, то эта формула лишь приблизительно верна; более точные формулы для этого случая даны Кирхгоффом и Максвеллом.2) Обкладки представляют два концентрических цилиндра радиусов R1 и R2 (в см), разделенных средой сди электрической постоянной К. Тогда емкость равна микрофарад где lg обозначает натуральный Неперов логарифм. Этот случай весьма важен в практике, так как непосредственно применим к подводным телеграфным кабелям, состоящим из внутренней жилы, окруженной гутаперчей, защищенной металлической броней. Собирателем служит жила, сгустителем броня, соприкасающаяся с водой. Сто километров такого кабеля с жилой в 2 мм. радиусом и 4 мм. внешнего радиуса, изолированный гутаперчей (К = 2,5), имеет емкость около 20 микрофарад. Значительная емкость длинных кабелей представляет главную помеху для быстрой передачи знаков по подводному кабелю.3) Одна обкладка — проволока радиуса r (всм), другая — бесконечная плоскость, отстоящая от оси проволоки на hсм. Емкость такого К. длины L (в см) равна микрофарад Такого рода К. представляет телеграфная проволока, протянутая над землей. Километр проволоки в 4 мм., протянутой на вышине 10 метр. От земли, имеет емкость (К. для воздуха=1) приблизительно 0,012 микрофарад. Чтобы получить К. весьма большой емкости, соединяют иногда несколько К. в одну батарею параллельно, т.е. берут целый ряд одинаковых К. (К. изображают схематически и образной чертой, представляющей сгуститель, и входящей в нее прямой чертой, изображающей собиратель) и соединяют одним проводником все собиратели вместе, другим — все сгустители. Такая батарея заряжается как один К. и емкость ее равна сумме емкостей отдельных К. Если же соединить батарею К. последовательно, или, как говорят, каскадом, то емкость батареи будет во столько раз меньше емкости одного К., сколько в батарее всего К. Чтобы зарядить К., присоединяют собирательную обкладку К. с источником электричества постоянного потенциала, например, электрической машиной или гальванической батареей, а сгустительную обкладку с землей или с другим полюсом машины, или батареи. Приток электричества постепенно заряжает К. Если емкость К. есть С, и он заряжается батареей с разностью потенциалов на полюсах Е, а R есть сопротивление всей цепи помимо К., то через t секунд по замыкании цепи через нее течет заряжающий ток силой а разность потенциалов у зажимов К. в этот момент равна где е — основание Не перовых логарифмов (е=2,718), время выражено в секундах, величины V и Е в вольтах, R в омах, а С в фарадах. Отсюда видно, что, теоретически говоря, К. заряжается бесконечно долго, и никогда V не делается равным Е. Но уже через весьма короткий промежуток времени разница V — Е делается чрезвычайно малой. Разница между V и Е равна — от Е через время t = Crlog n, напр., при конденсаторе в 10микрофарад в цепи сопротивления в 10 ом, заряд будет отличаться от полного на 0,1 через 0,00023 секунды, а на одну тысячную через 0,00069секунд. Заряженный таким образом К. обладает запасенным в нем некоторым количеством энергии, на образование которой затрачена была работа вкг. — м., где С — емкость в фарадах, а V — разность потенциалов обкладов в вольтах. При разряде эта энергия освобождается и может совершить такую же работу. Заряжение К. сопровождается рядом явлений, происходящих внутри К. между его обкладками, в диэлектрике. Обкладки К., будучи противоположно наэлектризованы, притягивают друг друга с силой прямо пропорциональной 1) квадрату разности потенциалов, существующей между обкладками К., и 2) диэлектрической постоянной среды. На этой зависимости и опытном определении этой силы притяжения основаны способы определения разности потенциалов и диэлектр. постоянной. Диэлектрическая среда, находящаяся между обкладками, будучи подвержена действию электрических сил, претерпевает некоторые изменения, которые указывают нам на ту важную роль, которую играет непроводящая среда в электрических явлениях. Эти явления в среде следующие:

mirznanii.com