Постоянный ток не проходит через конденсатор. Почему переменный ток проходит через конденсатор, а постоянный не проходит

Конденсаторы — это приборы, накапливающие электрическую энергию в виде зарядов. Аппараты не могут пропускать через себя постоянный ток. Будучи включёнными в цепь с переменным током, он уподобляется пружине, подвергающейся внешнему воздействию. Примечательно, что они не будет пропускать и ток, однако при его прохождении случится перезарядка накопителя, из-за чего покажется, что он проходит через обкладки. Если к ним в разряженном состоянии приложить постоянное напряжение, то по цепи пойдет ток, который снижается по мере зарядки накопителя. Когда достигается паритет значений напряжения на источнике питания и пластинах, он прекращает протекать, что приводит к разрыву.

Что такое конденсатор

Конденсаторы — это пассивные элементы, используемые при формировании разнообразных электротехнических схем, блокирующих и защитных устройств. Будучи включённым в переменную цепь накопитель аккумулирует и возвращает энергию. Если подключается переменный, то энергия возвращается в систему, при этом поддерживается периодичность, которая соответствует рабочей частоте.

К сведению! Когда через конденсатор протекает переменный ток, то он непрерывно оказывает ему сопротивление, величина которого обратно пропорционально зависит от частоты.

Уменьшение частоты приводит к повышению сопротивления. Когда источник, генерирующий такой ток, подключается к накопителю, то максимальное напряжение определяется силой.

Чтобы на примере убедиться в возможности проведения переменного тока, формируют простую электрическую цепь, включающую следующие компоненты:

• переменные источники;
• конденсатор;
• потребитель — обычно это лампочка.

Обратите внимание! Прибор не допускает пропускание по постоянной сети, поскольку в этом случае имеющееся сопротивление будет равно бесконечности. Если проходит переменный, то у сопротивления будет конечное значение.

Принцип работы

Конденсатор может быть выполнен по-разному, но суть работы и основные его элементы остаются неизменными в любом случае. Чтобы понять принцип работы, необходимо рассмотреть самую простую его модель.

У простейшего устройства имеются две обкладки: одна из них заряжена положительно, другая — наоборот, отрицательно. Заряды эти хоть и противоположны, но равны. Они притягиваются с определенной силой, которая зависит от расстояния. Чем ближе друг к другу располагаются обкладки, тем больше между ними сила притяжения. Благодаря этому притяжению заряженное устройство не разряжается.

Однако достаточно проложить какой-либо проводник между двумя обкладками и устройство мгновенно разрядится. Все электроны от отрицательно заряженной обкладки сразу же перейдут на положительно заряженную, в результате чего заряд уравняется. Иными словами, чтобы снять заряд с конденсатора, необходимо лишь замкнуть две его обкладки.

Принцип работы конденсатора

Подключение прибора к постоянному источнику приводит к тому, что в начальный момент происходит аккумуляция в обкладках из-за электростатической индукции, а сопротивление в этот момент приравнивается нулю. Электрическая индукция провоцирует поле к притяжению разноимённых зарядов на разные обкладки, расположенные друг напротив друга.

Вам это будет интересно Простейший асинхронный генератор тока

Такое свойство получило название ёмкость, которая характерна для всех типов материалов, в том числе и диэлектриков, однако в случае с проводниками она существенно больше. Именно поэтому обкладки изготавливаются из проводника. Увеличение ёмкости способствует накоплению большего количества зарядок на обкладках.

Важно! Когда аккумулируются заряды, происходят ослабление поля и наращивание двухполюсника.

Происходит это из-за уменьшения места в обкладках, воздействия одноимённых зарядов друг на друга. Одновременно с этим напряжение приравнивается к источнику тока. Прекращение электричества в цепи происходит после того, когда обкладки полностью заполнятся электричеством. Из-за этого пропадает индукция и остаётся только поле, удерживающее и не пропускающее заряды.

Электротоку будет некуда деться, а на двухполюснике напряжение приравнивается к ЭДС. Когда ЭДС повышается, поле сильнее воздействует на диэлектрик из-за отсутствия места в обкладках. Если внутреннее конденсаторное напряжение будет выше предельных значений, тогда пробьёт диэлектрик.

Конденсатор преобразуется в проводник, и происходит освобождение зарядов, из-за чего электроток начинает идти. Чтобы применять двухполюсник при высоком напряжении повышают размер диэлектрика и наращивают расстояние, имеющееся между обкладками на фоне снижения ёмкости. Диэлектрик располагается между обкладками и не даёт проходить постоянному, выполняя в отношении него барьерную функцию.

Обратите внимание! Именно постоянное напряжение способно формировать электростатическую индукцию, но только в случае замыкания в момент зарядки конденсатора. Благодаря этому механизму сохраняется энергия до момента подсоединения к нему потребителю.

Конденсатор в цепи постоянного тока

Чтобы понять, как работает накопитель в цепи постоянного тока, надо добавить в схему лампочку, которая станет загораться только при зарядке, в процессе которой от электротока остаётся напряжение, как бы догоняющее его из-за плавного нарастания. Заряды электричества затрачивают какое-то время для перемещения к обкладкам, именно это и есть время зарядки, продолжительность которого определяется частотой и ёмкостью напряжения. Когда зарядка завершается, лампочка тухнет, и постоянный электроток перестаёт проходить через пассивный электронный компонент.

Конденсатор в цепи переменного тока

Если у источника изменить полярность, то это приведёт к разрядке конденсатора в цепи переменного тока и его повторной зарядке. Формируется постоянная электростатическая индукция при переменном. Всегда при изменении электричеством своего направления запускается механизм зарядки и разрядки, из-за чего он и пропускает переменный. Увеличение частоты приводит к снижению ёмкостного сопротивления двухполюсника.

Вам это будет интересно Монтаж и подключение теплого пола

Электроника для всех

Итак, с проводками-токами-источниками разобрались. Теперь пробежимся по элементам. Сейчас я толкну телегу про конденсатор. Как через него ходит ток, если он представляет собой обрыв.

Одеваем спецовку сантехника и премся в кладовку за трубами, будем из говна и палок мастерить модель конденсатора. Чтобы не выбиваться из канализационной стилистики.

Что представляет собой конденсатор? Из учебника физики известно, что это две пластины проводника, а между ними тонкий диэлектрик, чем он тоньше тем лучше конденсатор. Ну вот эту фигню мы и сколхозим из труб. Еще нам потребуется презерватив размера кингсайз, прокатит за диэлектрик. А чего? Воду он не пропускает, сгодится! Возьмем соединим две трубы, а между ними сунем мембрану. Герметично перекрывающую проток, но очень упругую.

Неправда ли похоже получилось? В конденсаторе энергия запасается в электрическом поле, а у нас энергия будет запасаться в упругом элементе мембраны из презерватива. Чем больше давление, тем сильней растягивается мембрана. Рано или поздно давление источника уравновесится противодействием мембраны и процесс встанет. Но всегда можно добавить еще давление и ее растянет еще сильней. И еще, и еще, и еще до тех пор, пока не лопнет. Обьемами камеры куда может упереться мембрана пренебрегаем.

С электрическим конденсатором ситуация совершенно аналогичная. По даем на него напругу — он заряжается. Внутри него возникает электрическое поле, которое уравновешивает напряжение источника. Но если мы повысим напряжение, то конденсатор еще дозарядится. И еще, и еще, пока его не пробьет нафиг. Идеальный конденсатор можно заряжать бесконечно, бесконечно увеличивая напряжение. Но, оставим эти изыски математикам, они любят все эти теоретические приколы.

Так как же он все таки проводит ток? Ведь если поставить его в цепь, включить, то в лучшем случае наша нагрузка дернется чуток, а потом конденсатор зарядится и все. Все встанет

Но ведь дернется же! Заменим источник постоянного тока, на источник переменного. Сделаем его из поршня и кривошипа:

Во! Теперь жидкость будет колбаситься туда-сюда. Мембрана конденсатора будет тянуться то в одну сторону, то в другую. В трубе пойдет движуха жидкости, а энергия начнет передаваться от источника к нагрузке — крыльчатке на другом конце трубы. Надо там ее только выпрямить каким-нибудь храповым колесом и готово. И, главное, конденсатор, разделяющий трубу тут уже вовсе и не помеха. Знакопеременный поток через него проходит на отлично.

В электрическом кондере ситуация совершенно аналогичная. Разумеется конденсатор оказывает сопротивление току и у него тоже есть сопротивление. Зовется оно реактивным сопротивлением Xc и зависит от частоты.

С — тут емкость конденсатора f — частота

У постоянного тока частота = 0, поэтому и реактивное сопротивление конденсатора на постоянном токе равно бесконечности, обрыву. А чем выше частота, тем сопротивление ниже.

А теперь вспоминаем что, конденсатор это любые два проводника разделенные диэлектриком. ЛЮБЫЕ. Две параллельные дорожки на плате проводники? Несомненно. Разделены диэлектриком? Конечно! А значит… То то и оно! Правда емкостные связи обычно не досаждают, т.к. емкость там маленькая обычно. Но, если наша схема начинает работать на высокой частоте, то сопротивление этих емкостных связей резко снижается и они начинают влиять. Поэтому то проектирование действительно высокоскоростных устройств, где частоты в гигагерцы и выше — это та еще черная магия. Т.к. там приходится учитывать все эти паразитные эффекты и еще кучу других.

Теперь резко подадим воду, ака ток и смотрим что у нас получается в динамике.

Момент времени 1.

Момент времени 2.

Момент времени 3.

Момент времени 4.

Электрический его аналог ведет себя точно также. Когда конденсатор не заряжен, то напряжение его равно нулю, сопротивления протеканию тока он не оказывает, поэтому ток максимальный. По мере заряда напряжение растет, а вот ток снижается. И, в итоге, ток становится равным нулю, а напряжение равно источнику.

Тут мы приходим к одному фундаментальному понятию в ТОЭ — фазовый сдвиг между током и напряжением на конденсаторе. На конденсаторе ток опережает напряжение. Вот как это выглядит:

Возьмем да включим наш генератор переменного синусоидального напряжения в момент времени 0. Ток сразу же ломанется в максимум, конденсатор то разряжен, вливайся! А напряжение будет, отставая на четверть периода, т.е. на 90 градусов, за ним нарастать. Потом кондер зарядится, напряжение наконец достигнет максимума, а ток упадет до нуля. Но в этот момент генератор сменит полярность и конденсатор начнет разряжаться, ток опять будет нарастать, но уже в обратную сторону, а напряжение, соответственно падать — конденсатор то разряжается, ток течет из него. И так до тех пор, пока вся система не придет в зеркально противоположное состояние. Когда конденсатор окажется заряжен до упора уже в обратную сторону, а тут генератор снова сменит полярность…

Отсюда стоит запомнить следующие прикидочные тезисы.

• 1. Разряженный конденсатор ведет себя как КЗ.
• 2. Заряженный конденсатор ведет себя как обрыв.
• 3. В промежутке между 1 и 2 состоянием, заряжающийся конденсатор можно представить как резистор у которого стремительно растет сопротивление от нуля до бесконечности, по экспоненте.
• 4. Разряжающийся конденсатор ведет себя как источник напряжения у которого напряжение падает с разрядом.
• 5. Конденсатор пропускает переменный ток, чем выше частота, тем ниже сопротивление конденсатора.
• 6. Не важно насколько заряжен конденсатор, его всегда можно дозарядить, приложив напруги сверху. Лишь бы не пробило.
• 7. Из-за опережения тока у конденсатора максимум тока совпадает с минимумом напряжения и наоборот.

Это позволит умозрительно прикидывать работу большинства схем с конденсаторами. Теперь эти тезисы я подкреплю примерами.

▌Разряженный конденсатор ведет себя как КЗ

Именно поэтому, например, сгорают выводы микроконтроллеров, подключенных напрямую к мощным силовым MOSFET ключам, ведь их затворы имеют ощутимую емкость и пока она не зарядится вывод контроллера, фактически, работает на КЗ.

По этой же причине могут подгорать контакты реле и кнопок работающих на емкостную нагрузку. Т.к. в момент заряда конденсатора по его цепи идет ток, фактически равный КЗ, пусть и на очень короткое время. А контакты на такой ток не рассчитаны.

▌Заряженный конденсатор ведет себя как обрыв

На этом принципе построены многие времязадающие цепи. Простейший пример — цепь сброса микроконтроллера.

В первоначальный момент времени конденсатор ведет себя как КЗ и замыкает сброс на землю или на питание, смотря как включен. А потом, когда конденсатор через резистор зарядится, то он превращается в обрыв и вывод резистором подтягивается к противоположному уровню. Получается сигнал сброса.

На аналогичном же принципе построены всякие схемы импульсного токоограничения. Как например вот эта:

У реле есть ток срабатывания, минимальное значение тока, чтобы сорвать якорь с места. И ток удержания — минимальное значение тока, при котором якорь надежно держится, не отпадает. Ток срабатывания намного больше тока удержания. И если нас это парит, если мы хотим сократить ток, которые жрут наши реле (а если их многие десятки, то ток может быть большим), то можно поставить резистор, зашунтировав его конденсатором. Тогда в момент старта ,конденсатор будет разряжен и подобен КЗ, это даст рывок который сдернет якорь с места. А потом конденсатор зарядится, превратится в обрыв, и весь ток пойдет через токоограничивающий резистор. Существенно снизив потребление. Тут надо правда учитывать разряд. Если реле щелкает постоянно, то конденсатор может и не успеть разрядиться, а удерживающего тока не хватит для включения.

▌Заряжающийся конденсатор можно представить как резистор у которого стремительно растет сопротивление от нуля до бесконечности, по экспоненте.

Это конечно не совсем так, но тем не менее что нам мешает так думать? Как можно применить? Ну, например, сделать «делитель напряжения», где нижнее плечо будет не резистор, а конденсатор. На выходе, при включении будет плавно нарастающее (по экспоненте точнее) напряжение, как если бы мы всобачили вместо конденсатора переменный резистор с экспоненциальной зависимостью и крутили от нуля до бесконечности. Получим, например, управляющий сигнал для плавного зажигания света.

▌Разряжающийся конденсатор ведет себя как источник напряжения у которого напряжение падает с разрядом

Ну тут, думаю, пояснять особо и не нужно. Все видели огромные россыпи конденсаторов в хороших блоках питания. Иной раз они такие огромные, что даже если выдернуть прибор из розетки, то он еще несколько секунд может работать на запасенной в кондерах энергии. Там просто емкости стоят в шине питания между плюсом и минусом и служат накопителями энергии, для сглаживания сбоев питания.

▌Конденсатор пропускает переменный ток, чем выше частота, тем ниже сопротивление конденсатора

Это основная тема всяких фильтров. Вкорячивая конденсаторы мы либо сливаем ненужные частоты на землю, либо не пропускаем их дальше. Или сразу одновременно и то и другое. В зависимости от того, что нам нужно.

Согласно теореме Фурье, то периодический сигнал можно представить как сумму синусоид-гармоник с разной амплитудой и частотой. Вот с помощью фильтра можно подавить ненужные гармоники.

▌Не важно насколько заряжен конденсатор, его всегда можно дозарядить, приложив напруги сверху. Лишь бы не пробило

На этом принципе используются различные разделительные конденсаторы, которые отделяют постоянную составляющую от переменной. Обычная тема для звуковой аппаратуры.

Вернемся к нашей трубе с мембраной. Только добавим к источнику переменного напряжения еще и куда более мощный постоянный. Исходное колебание потока будет складываться из их суммы. На положительной волне переменного источника давление будет складываться, а на отрицательной вычитаться. Но т.к. постоянный мощней, то он обеспечит смещение.

Завернем эту конструкцию в нашу трубу. Что получится? Смещение тотчас натянет мембрану и на этом его действие ограничится. А переменные колебания будут либо дорастягивать ее дальше, либо ослаблять. Т.е. в нагрузку пойдут только колебания переменного источника, постоянный же отрежет конденсатором.

В электроцепи полностью все также. Например, имеем мы некий усилитель мощности звуковой частоты. Но вот беда, его выход не мостовой и может колебаться только от нуля до максимума, не выходя в минус. Мало того, смещение там в несколько вольт. Если мы подключим динамик, то это смещение его натянет магнитную систему в одну сторону до предела и он в лучшем случае будет вяло хрипеть. А то и вовсе выплюнет катушку и писец ему.

Воткнем блокирующий конденсатор и проблема решена. Все постоянное напряжение высадится на этом конденсаторе, а в динамик пойдет только его переменная часть, составляющая звуковые колебания.

Точно для такой же цепи блокирующие конденсаторы ставят между каскадами усилителя. Чтобы каждый следующий транзистор работал только с переменной составляющей сигнала, без блокирующего конденсатора постоянная составляющая сразу же загонит транзистор в насыщение и он перестанет воспринимать какие-либо колебания управляющего сигнала вообще.

▌Из-за опережения тока у конденсатора максимум тока совпадает с минимумом напряжения и наоборот.

Этот принцип применяется, например, в конденсаторном блоке питания. Ведь, по сути, он является банальнейшим делителем напряжения, но работающим на переменном токе.

Но, что же нам мешает взять и просто сделать тот же самый делитель напряжения на резисторах? Принцип то тот же, а уж резистор он везде одинаково работает. Так то да, ничего особо не мешает. Кроме потерь.

Делитель напряжения это же тупо нагрузка работающая на сеть. Переводящая энергию в тепло. Если мы сделаем ее высокоомной, чтобы снизить ток и, соответственно потери (а потери у нас растут от квадрата тока), то у получившегося источника напряжения будет очень большое внутреннее сопротивление и он не сможет питать сколь-нибудь серьезную нагрузку без просадки. А если мы снизим номиналы этих резисторов, то снизим и внутреннее сопротивление источника, но резко возрастут потери на этих самых резисторах. А это нагрев, это габариты. Короче, овчинка не стоила бы выделки.

И тут на помощь приходит конденсатор. У него ведь такой прикол, что максимум амплитуды тока совпадает с минимумом амплитуды напряжения, и наоборот. Т.е. уже мгновенные потери P = U*I будут меньше чем у резистора. Где если уж максимум тока, то и максимум напряжения. Один к одному.

▌Выбор

Если не углубляться в дебри характеристик (а их там полно, это и диэлектрические потери, точность, ESR всякие), то выбор конденсатора идет по двум параметрам — предельному напряжению пробоя и емкости.

Предельное напряжение должно быть не ниже того которое у вас там в цепях гуляет. Выше можно, ниже нет. Поэтому вполне допускается менять конденсатор с допуском по напряжению в 16 вольт, на 36 вольтовый, если у них совпадает емкость.

Еще некоторые конденсаторы, например, танталовые и электролитические имеют полярность. Для них справедливо все то же что и для любого другого конденсатора, кроме одного — его нельзя заряжать в обратную полярность — сдохнет.

Обычно, в радиолюбительской практике, применяют три типа конденсаторов.

1) Электролитические. Этакие бочонки разных размеров. Обязательно подписан где минус. Указана емкость и предельное напряжение. Их втыкают в питание, как правило. Они очень дешевые, имеют большую емкость (до сотен тысяч микрофарад), но крайне хреновые остальные характеристики. Но для грубых задач, вроде страховки питания от просадки или задачи длительных интервалов, вполне подходят. Плохо работают на высоких частотах (из-за большой паразитной индуктивности). Так что с фильтрацией ВЧ помех в питании справляются плохо.

2) Керамические. Дешевые, отлично работают на высоких частотах, держат высокие напряжения (для своих габаритов). Но имеют малую емкость. До единиц микрофарад. Выше, наверное, тоже бывают, но цена с ростом емкости увеличивается очень резко.

3) Танталовые. Почти всем хорошие. Маленькие, емкость большая, характеристики неплохие, стабильность и долговечность. Вот только стоят дорого и редкий тантал берет на себя больше 50 вольт. А если что не по нраву ему, то натурально взрывается. Причем причин для взрыва масса: полярность попутал — бабах! Слишком быстро заряжаешь — бабах! Слишком большой ток вкачиваешь — бабах! Слишком большое напряжение — бабах! Взрывной у него характер, шахид-кондер прям.

Кроме всего этого есть еще порядка 30 видов разных типов конденсаторов, но это довольно узкоспециализированные вещи и применяются куда реже основной тройки.

До кучи, если не читали, вот вам прошлая моя статья о конденсаторах из этого же цикла ибо повторение мать учения:

Конденсатор и RC цепочка

Там немножко больше адекватной теории (например узнаете как и от чего зависит скорость заряда конденсатора), формул и еще парочка примеров. На сей ноте я завершаю очередную главу курса электротехники для детей и домохозяек. Искренне ваш, Капитан Очевидность

Почему идет переменный ток через конденсатор

Конденсатор — это разрыв, поскольку его прокладки не касаются друг друга из-за нахождения между ними диэлектрика, не проводящего постоянный электроток. Однако будучи подключённым к постоянной цепи, он всё же может его проводить в момент подсоединения, поскольку происходит зарядка или перезарядка.

Когда завершается переходный процесс, ток перестаёт проходить через пассивный электронный компонент из-за разделения его обкладок диэлектриком. Будучи подключённым к такой цепи он проводит его колебания вследствие циклической перезарядки. Здесь прибор входит в колебательный контур и вместе с катушкой выполняет функцию накопителя энергии.

Такой симбиоз способствует преобразованию электричества в магнитную энергию или, наоборот, с равной их собственной частотной скоростью, которая рассчитывается по формуле: omega = 1 / sqrt(C × L).

Действительность такова, что конденсатор не способен пропускать через себя переменный ток. Сначала он его аккумулирует на обкладках. Возникает ситуация, в которой на одной из них имеет место переизбыток электронов, а на другой их, напротив, мало. В результате конденсатор отдаёт эти заряды, из-за чего электроны, находящиеся во внешней цепи, перемещаются в одну и в другую сторону от одной обкладки к другой.

К сведению! Результат выражается в том, что электроны перемещаются внутри внешней цепи, но не в самом пассивном компоненте. Энергия перераспределяется внутри поля между конденсаторными пластинками, что называют токами смещения, отличающимися от электротоков проводимости.

Назначение и функции конденсаторов

Конденсатор играет огромную роль как в аналоговой, так и цифровой технике. Они бывают электролитическими и керамическими, и отличаются своими свойствами, но не общей концепцией. Примеры использования:

• Фильтрует высокочастотные помехи;
• Уменьшает и сглаживает пульсации;
• Разделяет сигнал на постоянные и переменные составляющие;
• Накапливает энергию;
• Может использоваться как источник опорного напряжения;
• Создает резонанс с катушкой индуктивности для усиления сигнала.

Примеры использования

В усилителях обычно используются для защиты сабвуферов, фильтрации питания, термостабилизации и разделение постоянной составляющей от переменной. А электролитические в автономных схемах с микроконтроллерами могут долго обеспечивать питание за счет большой емкости.

С2 совместно с резистором R3 выполняет функцию термостабилизации. Когда усилитель работает, транзистор нагревается. Это может внести искажения в сигнал. Поэтому, резистор R3 помогает удержать рабочую точку при нагреве. Но когда транзистор холодный и стабилизации не требуется резистор может уменьшить мощность усилителя. Поэтому, в дело вступает С2. Он проводит через себя усиленный сигнал шунтируя резистор, тем самым, не снижая номинальную мощность схемы. Если его емкость будет ниже расчетной, он начнет вносить фазовые искажения в выходной сигнал.

Чтобы схема качественно работала, обязательно хорошее питание. Когда схема в пиковые значения потребляет больше тока, то это всегда сильная нагрузка на источник питания. С3 фильтрует помехи по питанию и помогает снизить нагрузку. Чем больше емкость — тем лучше звук, но до определенных значений, все зависит от схемы.

А в блоках питания используется тот же принцип, как и в предыдущей схеме по питанию, но здесь емкость нужна гораздо больше. На этой схеме емкость элеткролита может быть как 1000 мкФ, так и 10 000 мкФ.

Еще на диодный мост можно параллельно включить керамические конденсаторы, которые будут шунтировать схему от высокочастотных наводок и шума сети 220 В.

Формулы вычисления тока в конденсаторе

Ёмкость конденсатора, включенного в цепь переменного тока, рассчитывается по формуле: C = q / U, где:

• С — ёмкость;
• q — заряд одной из пластин;
• U — напряжение внутри.

• плоский — C = E × E0 × S / d;
• цилиндрический — С=2 π × E × E0 × l / ln(R2 / R1);
• сферический — C = 4 π ×E × E0 × R1 × R2 / R2 — R.

Обратите внимание! Сопротивление в переменной цепи, которое может оказывать резистор, включённый в электрическую цепь, вычислить нельзя, так как она считается бесконечно большим. Однако в данном случае, это можно сделать по формуле: Хс = 1 / 2πvC = 1 / wC.

Вам это будет интересно Особенности электродвигателей на 220 В

Напряжение конденсатора в цепи переменного тока вычисляется по следующей формуле: Wp = qd E / 2.

Чтобы рассчитать напряжение на конденсаторе в цепи переменного тока, необходимо воспользоваться актуальными формулами.

Особенности соединения нескольких конденсаторов в цепи

Соединение нескольких конденсаторов между собой может быть последовательным или параллельным.

Последовательное

Последовательное соединение позволяет подавать на обкладки большее напряжение, чем на отдельно стоящую деталь. Напряжение распределяется в зависимости от емкости каждого накопителя. Если емкости деталей равны, то напряжение распределяется поровну.

Получаемая емкость в такой цепи находится по формуле:

Собщ = 1/(1/С1+1/С2…+1/Сn)

Если провести вычисления, то станет понятно, что увеличение напряжения в цепи достигается существенным падением емкости. Например, если в цепь подсоединить последовательно два конденсатора емкостью 10 мкФ, то общая емкость будет равна всего 5 мкФ.

Параллельное

Это наиболее распространенный на практике способ, позволяющий увеличить общую емкость в схеме. Параллельное соединение позволяет создать один большой конденсатор с суммарной площадью проводящих пластин. Общая емкость системы представляет собой сумму емкостей соединенных деталей.

С общ = С1+С2+…+Сn

Напряжение на всех элементах будет одинаковым.

Где и зачем применяются конденсаторы

Где и почему используются эти приборы, которые могут работать в радиотехнических, электронных и электротехнических устройствах? Накопители используются в электротехнике при включении асинхронных моторов для сдвига фаз, без чего двигатель в составе однофазной цепи не будет функционировать. Если ёмкость составляет несколько фарад, то их применяют в электромобилях для питания мотора.

Правильное использование этих приборов позволит получить лучший результат. Понимание основных принципов физики упрощает эксплуатацию оборудования. Неправильное применение чревато негативными последствиями, вызванными несоблюдением техники безопасности.

Виды и классификация конденсаторов

Конденсаторы различных типов приспособлены к разным условиям работы, направлены на выполнение определенных задач и обладают различными побочными эффектами.

Основной признак, по которому классифицируют конденсатор, – это вид диэлектрика. Именно диэлектрический материал определяет многие характеристики конденсатора.

Электролитические конденсаторы

В электролитических конденсаторах анодом служит металлическая пластина, диэлектриком – оксидная пленка, а катодом – твердый, жидкий или гелеобразный электролит. Наличие гелеобразного электролита делает устройство полярным, то есть ток через него может протекать только в одном направлении. Представители этого семейства – алюминиевые и танталовые конденсаторы.

Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют емкость от 0,1 до нескольких тысяч мкФ. Обычно они применяются на звуковых частотах. Электрохимическая ячейка плотно упакована, что обеспечивает большую эффективную индуктивность, которая не позволяет использовать алюминиевые накопители на сверхвысоких частотах.

В танталовых конденсаторах катод изготавливается из диоксида марганца. Сочетание значительной площади поверхности анода и диэлектрических характеристик оксида тантала обеспечивает высокую удельную емкость (емкость в единице объема или массы диэлектрика). Это значит, что танталовые конденсаторы гораздо компактнее алюминиевых такой же емкости.

У танталовых конденсаторов есть свои недостатки. Устройства ранних поколений грешат отказами, возможны возгорания. Они могут произойти при подаче слишком высокого пускового тока, который меняет структурное состояние диэлектрика. Дело в том, что оксид тантала в аморфном состоянии является хорошим диэлектриком. При подаче большого пускового тока оксид тантала из аморфного состояния переходит в кристаллическое и превращается в проводник. Кристаллический оксид тантала еще больше увеличивает силу тока, что и приводит к возгоранию. Современные танталовые конденсаторы производятся по передовым технологиям и практически не дают отказов, не вздуваются, не возгораются.

Пленочные и металлопленочные конденсаторы

Пленочные конденсаторы имеют диэлектрический слой из полимерной пленки, расположенный между слоями металлофольги.

Такие устройства имеют небольшую емкость (от 100 пФ до нескольких мкФ), но могут работать при высоких напряжениях – до 1000 В.

Существует целое семейство пленочных конденсаторов, но для всех видов характерны небольшие емкость и индуктивность. Благодаря малой индуктивности, эти приборы используются в высокочастотных схемах.

Основные различия между конденсаторами с разными типами пленок:

• Конденсаторы с диэлектриком в виде полипропиленовой пленки применяются в цепях, в которых предъявляются высокие требования к температурной и частотной стабильности. Они подходят для систем питания, подавления ЭМП.
• Конденсаторы с диэлектриком в виде полиэстеровой пленки обладают низкой стоимостью и способны выдерживать высокие температуры при пайке. Частотная стабильность, по сравнению с полипропиленовыми видами, ниже.
• Конденсаторы с диэлектриком из поликарбонатной и полистиреновой пленки, которые использовались в старых схемах, сегодня уже неактуальны.

Керамические конденсаторы

В керамических конденсаторах в качестве диэлектрика используются керамические пластины.

Керамические конденсаторы отличаются небольшой емкостью – от одного пФ до нескольких десятков мкФ.

Керамика имеет пьезоэлектрический эффект (способность диэлектрика поляризоваться под воздействием механических усилий), поэтому некоторые виды этих конденсаторов обладают микрофонным эффектом. Это нежелательное явление, при котором часть электроцепи воспринимает вибрации, как микрофон, что становится причиной помех.

Бумажные и металлобумажные конденсаторы

В качестве диэлектрика в этих конденсаторах используется бумага, часто промасленная. Устройства с промасленной бумагой отличаются большими размерами. Модели с непромасленной бумагой более компактны, но они имеют существенный недостаток – увеличивают энергопотери под воздействием влаги даже в герметичной упаковке. В последнее время эти детали используются редко.

Подробнее о видах и аналогах конденсаторов

Конструкция и принцип работы

Простейшим конденсатором являются две металлические пластины, разделённые диэлектриком. Выступать в качестве диэлектрика может воздушное пространство между пластинами. Модель такого устройства изображена на рис. 2.

Если на конструкцию подать постоянное напряжение, то образуется кратковременная замкнутая электрическая цепь. На каждой металлической пластине сконцентрируются заряды, полярность которых будет соответствоать полярности приложенного тока. По мере накопления зарядов ток будет ослабевать, и в определенный момент цепь разорвётся. В нашем случае это произойдёт молниеносно.

При подключении нагрузки накопленная энергия устремится через нагрузочный элемент в обратном направлении. Произойдёт кратковременный всплеск электрического тока в образованной цепи. Количество накапливаемых зарядов (ёмкость, C) прямо зависит от размеров пластин.

Единицу измерения ёмкости принятоназывать фарадой (Ф). 1 F – очень большая величина, поэтому на практике часто применяют кратные величины: микрофарады (1 мкФ = 10-6 F), нанофарады ( 1 нФ = 10-9 F = 10-3 мкФ), пикофарады (1 пкФ = 10-12 F = 10-6 мкФ). Очень редко применяют величину милифараду (1 мФ = 10-3 Ф).

Конструкции современных конденсаторов отличаются от рассматриваемой нами модели. С целью увеличения ёмкости вместо пластин используют обкладки из алюминиевой, ниобиевой либо танталовой фольги, разделённой диэлектриками. Эти слоеные ленты туго сворачивают в цилиндр и помещают в цилиндрический корпус. Принцип работы не отличается от описанного выше.

Существуют также плоские конденсаторы, конструктивно состоящие из множества тонких обкладок, спрессованных между слоями диэлектрика в форме параллелепипеда. Такие модели можно представить себе в виде стопки пластин, образующих множество пар обкладок, соединённых параллельно.

В качестве диэлектриков применяют:

• бумагу;
• полипропилен;
• тефлон;
• стекло;
• полистирол;
• органические синтетические плёнки;
• эмаль;
• титанит бария;
• керамику и различные оксидные материалы.

Отдельную группу составляют изделия, у которых одна обкладка выполнена из металла, а в качестве второй выступает электролит. Это класс электролитических конденсаторов (пример на рисунке 3 ниже). Они отличаются от других типов изделий большой удельной ёмкостью. Похожими свойствами обладают оксидно-полупроводниковые модели. Второй анод у них – это слой полупроводника, нанесённый на изолирующий оксидный слой.

Электролитические модели, а также большинство оксидно-полупроводниковых конденсаторов имеют униполярную проводимость. Их эксплуатация допустима лишь при наличии положительного потенциала на аноде и при номинальных напряжениях. Поэтому следует строго соблюдать полярность подключения упомянутых радиоэлектронных элементов.

На корпусе такого прибора обязательно указывается полярность (светлая полоска со значками «–», см. рис. 4) или значок «+» со стороны положительного электрода на корпусах старых отечественных конденсаторов.

Срок службы электролитического конденсатора ограничен. Эти приборы очень чувствительны к высоким напряжениям. Поэтому при выборе радиоэлемента старайтесь, чтобы его рабочее напряжение было значительно выше номинального.

Маркировка конденсаторов

В маркировке конденсатора, независимо от его типа, присутствуют два обязательных параметра – емкость и номинальное напряжение. Наиболее распространена цифровая маркировка, указывающая величину сопротивления. В ней используется три или четыре цифры.

Кратко суть трехфциферной маркировки: первые две цифры, находящиеся слева, указывают значение емкости в пикофарадах. Самая правая цифра показывает, сколько нулей надо прибавить к стоящим слева цифрам. Результат получается в пикофарадах. Пример: 154 = 15х104 пФ. На конденсаторах зарубежного производства пФ обозначаются как mmf.

В кодовом обозначении с четырьмя цифрами емкость в пикофарадах обозначают первые три цифры, а четвертая указывает на количество нулей, которые требуется добавить. Например: 2353=235х103 пФ.

Для обозначения емкости также может применяться буквенно-цифровая маркировка, содержащая букву R, которая указывает место установки десятичной запятой. Например, 0R8=0,8 пФ.

На корпусе значение напряжения указывается числом, после которого ставятся буквы: V, WV (что означает «рабочее напряжение»). Если указание на допустимое напряжение отсутствует, то конденсатор может использоваться только в низковольтных цепях.

Помимо емкости и напряжения, на корпусе могут указываться и другие характеристики детали:

Основные параметры конденсаторов

Емкость

Этот показатель характеризует способность конденсатора накапливать электрический заряд. Емкость тем больше, чем больше площадь проводниковых обкладок и чем меньше толщина диэлектрического слоя. Также эта характеристика зависит от материала диэлектрика. На приборе указывается номинальная емкость. Реальная емкость, в зависимости от эксплуатационных условий, может отличаться от номинальной в значительных пределах. Стандартные варианты номинальной емкости – от единиц пикофарад до нескольких тысяч микрофарад. Некоторые модели могут иметь емкость в несколько десятков фарад.

Классические конденсаторы имеют положительную емкость, то есть чем больше приложенное напряжение, тем больше накопленный заряд. Но сегодня в стадии разработки находятся устройства с уникальными свойствами, которые ученые называют «антиконденсаторами». Они обладают отрицательной емкостью, то есть с ростом напряжения их заряд уменьшается, и наоборот. Внедрение таких антиконденсаторов в электронную промышленность позволит ускорить работу компьютеров и снизить риск их перегрева.

Что будет, если поставить накопитель большей/меньшей емкости, по сравнению с требуемой? Если речь идет о сглаживании пульсаций напряжения в блоках питания, то установка конденсатора с емкостью, превышающей нужную величину (в разумных пределах – до 90% от номинала), в большинстве случаев улучшает ситуацию. Монтаж конденсатора с меньшей емкостью может ухудшить работу схемы. В других случаях возможность установки детали с параметрами, отличающимися от заданных, определяют конкретно для каждого случая.

Удельная емкость

Отношение номинальной емкости к объему (или массе) диэлектрика. Чем тоньше диэлектрический слой, тем выше удельная емкость, но тем меньше его напряжение пробоя.

Плотность энергии

Это понятие относится к электролитическим конденсаторам. Максимальная плотность характерна для больших конденсаторов, в которых масса корпуса значительно ниже, чем масса обкладок и электролита.

Номинальное напряжение

Его значение отражается на корпусе и характеризует напряжение, при котором конденсатор работает в течение срока службы с колебанием параметров в заданных пределах. Эксплуатационное напряжение не должно превышать номинальное значение. Для многих конденсаторов с повышением температуры номинальное напряжение снижается.

Полярность

К полярным относятся электролитические конденсаторы, имеющие положительный и отрицательный заряды. На устройствах отечественного производства обычно ставился знак «+» у положительного электрода. На импортных приборах обозначается отрицательный электрод, возле которого стоит знак «-». Такие конденсаторы могут выполнять свои функции только при корректном подключении полярности напряжения. Этот факт объясняется химическими особенностями реакции электролита с диэлектриком.

К группе неполярных конденсаторов относится большинство накопителей заряда. Эти детали обеспечивают корректную работу при любом порядке подключения выводов в цепь.

О реальном конденсаторе

Реальный конденсатор имеет одновременно два сопротивления: активное и емкостное.

Их следует считать включенными последовательно.

Напряжение приложенное генератором к активному сопротивлению и ток идущий по активному сопротивлению совпадают по фазе.

Напряжение приложенное генератором к емкостному сопротивлению и ток идущий по емкостному сопротивлению сдвинуты по фазе на 90 0 . Результирующее напряжение приложенное генератором к конденсатору можно определить по правилу параллелограмма.

На активном сопротивлении напряжение U акт и ток I совпадают по фазе. На емкостном сопротивлении напряжение U c отстает от тока I на 90 0 . Результирующее напряжение приложенное генератором к конденсатору определяется по правилу параллелограмма. Это результирующее напряжение отстает от тока I на какой то угол φ всегда меньший 90 0 .

Устройство конденсаторов

Конструкции современных конденсаторов отличаются разнообразием, но можно выделить несколько типичных вариантов:

Пакетная конструкция

Используется в стеклоэмалевых, керамических и стеклокерамических конденсаторах. Пакеты образованы чередующимися слоями обкладок и диэлектрика. Обкладки могут изготавливаться из фольги, а могут представлять собой слои на диэлектрических пластинах – напыленный или нанесенный вжиганием.

Каждый пакетный конденсатор имеет верхнюю и нижнюю обкладки, имеющие контакты с торцов пакета. Выводы изготавливаются из проволоки или ленточных полосок. Пакет опрессовывается, герметизируется, покрывается защитной эмалью.

Трубчатая конструкция

Такую конструкцию могут иметь высокочастотные конденсаторы. Они представляют собой керамическую трубку с толщиной стенки 0,25 мм. На ее наружную и внутреннюю стороны способом вжигания наносится серебряный проводящий слой. Снаружи деталь обрабатывается изоляционным веществом. Внутреннюю обкладку выводят на наружный слой для присоединения к ней гибкого вывода.

Дисковая конструкция

Эта конструкция, как и трубчатая, применяется при изготовлении высокочастотных конденсаторов.

Диэлектриком в дисковых конденсаторах является керамический диск. На него вжигают серебряные обкладки, к которым подсоединены гибкие выводы.

Литая секционированная конструкция

Применяется в монолитных многослойных керамических конденсаторах, используемых в современной аппаратуре, в том числе с интегральными микросхемами. Деталь, имеющая 2 паза, изготавливается литьем керамики. Пазы заполняют серебряной пастой, которую закрепляют методом вживания. К серебряным вставкам припаивают гибкие выводы.

Рулонная конструкция

Характерна для бумажных пленочных низкочастотных конденсаторов с большой емкостью. Бумажная лента и металлическая фольга сворачиваются в рулон. В металлобумажных конденсаторах на бумажную ленту наносят металлический слой толщиной до 1 мкм.

Паразитные параметры конденсаторов

Конденсаторы, помимо основных характеристик, имеют так называемые «паразитные параметры», которые искажают рабочие свойства колебательного контура. Их необходимо учитывать при проектировании схемы.

К таким параметрам относятся собственное сопротивление и индуктивность, которые разделяются на следующие составляющие:

К паразитным параметрам также относится Vloss – незначительная величина, выражаемая в процентах, которая показывает, насколько падает напряжение сразу после прекращения зарядки конденсатора.

Какой он, современный мультиметр

Современный мультиметр — цифровой. Позволяет измерять много разного. Но для качественной прозвонки конденсатора необходим прибор, который умеет измерять ёмкость.

Радиолюбитель старой школы скажет, что можно обойтись и без такого режима, измеряя сопротивление. Но, это не совсем так, а для некоторых конденсаторов даже совсем не так.

Поэтому ищем прибор, у которого переключатель можно поставить на одно из значений, включающей латинскую букву F. Эта буква происходит от названия единицы измерения электрической ёмкости — фарада. Названа так единица в честь знаменитого английского физика Майкла Фарадея, а вовсе не актёра Семёна Фарады. Фарадею мы обязаны многими привычными нам электротехническими терминами. И единицей измерения ёмкости.

О заряде конденсатора.

Замкнем цепь. В цепи пойдет ток заряда конденсатора. Это значит что с левой обкладки конденсатора часть электронов уйдет в провод, а из провода на правую обкладку зайдет такое же количество электронов. Обе обкладки будут заряжены разноименными зарядами одинаковой величины.

Между обкладками в диэлектрике будет электрическое поле.

А теперь разомкнем цепь. Конденсатор останется заряженным. Закоротим куском провода его обкладки. Конденсатор мгновенно разрядится. Это значит что с правой обкладки уйдет в провод избыток электронов, а из провода на левую обкладку войдет недостаток электронов. На обоих обкладках электронов будет одинаково, конденсатор разрядится.

До какого напряжения заряжается конденсатор?

Он заряжается до такого напряжения, которое к нему приложено с источника питания.

Как проверить работоспособность конденсатора

Для проверки конденсатора на работоспособность используют мультиметр. Прежде чем проверить накопитель, необходимо определить, какой именно прибор находится в схеме – полярный (электролитический) или неполярный.

Проверка полярного конденсатора

При проверке полярного конденсатора необходимо соблюдать правильную полярность подключения щупов: плюсовой должен быть прижат к плюсовой ножке, минусовой – к минусу. Если вы перепутаете полярность, конденсатор выйдет из строя.

После выпайки детали ее кладут на свободное пространство. Мультиметр включают в режим измерения сопротивления («прозвонки»).

Щупами дотрагиваются до выводов прибора с соблюдением полярности. Правильная ситуация, когда на дисплее появляется первое значение, которое начинает постепенно расти. Максимальное значение, которое должно быть достигнуто для исправного устройства, – 1. Если вы только прикоснулись щупами к выводам, а на экране появилась сразу цифра 1, значит, прибор неисправен. Появление на экране «0» означает, что внутри детали произошло короткое замыкание.

Проверка неполярного конденсатора

В этом случае проверка предельно простая. Диапазон измерений выставляют на отметку 2 МОм. Щупы присоединяют к выводам конденсатора в любом порядке. Полученное значение должно превышать двойку. Если на дисплее высвечивается значение менее 2 МОм, то деталь неисправна.