Конденсатор переменной ёмкости: описание, устройство и схема

Что представляет собой такой элемент, как конденсатор? Это небольшой радиоэлемент со средоточенной электрической емкостью, образующейся двумя или же большим числом электродов. В некоторых случаях этот элемент еще называют обкладкой. Эти маленькие детали разделяются такой вещью, как диэлектрик (специальная бумага, тонкий слой слюды, керамики и т. д.). Емкость этой детали будет зависеть от таких показателей, как размер (площадь) обкладок, расстояние между этими элементами, а также от свойств самого диэлектрика.

Общая информация

Очень важный факт. Конденсатор имеет одно свойство, которое проявляется в цепи переменного тока. Для такого контура эта деталь будет являться сопротивлением, величина которого будет зависеть от частоты. Если частота увеличивается, то сопротивление будет уменьшаться, и наоборот.

Существуют основные единицы измерения, при помощи которых можно определить принадлежность того или иного конденсатора. К ним относят Фарад, микроФарад и т. д. Обозначение на элементах этих единиц, соответственно, такое: Ф, мкФ.

Конденсатор переменной ёмкости: описание, устройство и схема

Что представляет собой такой элемент, как конденсатор? Это небольшой радиоэлемент со средоточенной электрической емкостью, образующейся двумя или же большим числом электродов. В некоторых случаях этот элемент еще называют обкладкой. Эти маленькие детали разделяются такой вещью, как диэлектрик (специальная бумага, тонкий слой слюды, керамики и т. д.). Емкость этой детали будет зависеть от таких показателей, как размер (площадь) обкладок, расстояние между этими элементами, а также от свойств самого диэлектрика.

Элементы с переменной емкостью

Конденсатор переменной емкости имеет в своем составе такие части, как секции пластин из металлического материала. Одна из этих секций может осуществлять плавное движение по отношению ко второй. Во время этого движения происходит так, что пластины подвижной части, то есть ротора, чаще всего вводятся в зазоры, имеющиеся между пластинами неподвижной части — статора. Благодаря этому движению происходит следующее. Площадь перекрытия одних пластин другими изменяется, в результате чего изменяется и емкость переменного конденсатора.

Диэлектриком в таких элементах чаще всего выступает воздух. Хотя стоит отметить, что, если говорить об аппаратуре с малыми габаритами, допустим, о транзисторных карманных приемниках, то в них чаще используются конденсаторы переменной емкости с твердым диэлектриком. В качестве этого элемента там используется износостойкое и высокочастотное сырье. Чаще всего это фторопласт или полиэтилен.

Особые формы механически регулируемых конденсаторов

Различные формы переменных конденсаторов

Несколько разделов

Очень часто несколько секций статора / ротора расположены друг за другом на одной оси, что позволяет настраивать несколько настроенных цепей с использованием одного и того же элемента управления, например преселектор, входной фильтр и соответствующий генератор в цепи приемника. Секции могут иметь одинаковые или разные номинальные емкости, например 2 × 330 пФ для фильтра AM и генератора, плюс 3 × 45 пФ для двух фильтров и генератора в секции FM того же приемника. Конденсаторы с несколькими секциями часто включают в себя подстроечные конденсаторы, подключенные параллельно переменным секциям, которые используются для настройки всех настроенных цепей на одинаковую частоту.

Бабочка

А конденсатор бабочка

представляет собой форму вращающегося переменного конденсатора с двумя независимыми наборами пластин статора, противостоящих друг другу, и бабочка-образный ротор, расположенный так, что вращение ротора будет одинаково изменять емкости между ротором и любым статором.

Конденсаторы типа бабочки используются в симметричных настроенных схемах, например мощность усилитель мощности этапы в тяни-Толкай конфигурация или симметричная антенные тюнеры где ротор должен быть «холодным», т.е. подключенным к ВЧ (но не обязательно ОКРУГ КОЛУМБИЯ) земля потенциал. Поскольку пиковый высокочастотный ток обычно течет от одного статора к другому, не проходя через контакты стеклоочистителя, конденсаторы типа бабочки могут выдерживать большие резонансные высокочастотные токи, например в магнитные рамочные антенны.

В конденсаторе типа бабочка статоры и каждая половина ротора могут покрывать только максимальный угол 90 °, так как должно быть положение без перекрытия ротора / статора, соответствующее минимальной емкости, поэтому поворот только на 90 ° охватывает весь диапазон емкости .[1]

Разделенный статор

Тесно связанные разделенный конденсатор переменной емкости статора

не имеет ограничения на угол 90 °, поскольку в нем используются два отдельных пакета электродов ротора, расположенных по оси друг за другом. В отличие от конденсатора с несколькими секциями, пластины ротора в разделенном конденсаторе статора установлены на противоположных сторонах оси ротора. В то время как у разделенного конденсатора статора преимущества электродов большего размера по сравнению с конденсатором типа бабочка, а также угла поворота до 180 °, разделение пластин ротора приводит к некоторым потерям, поскольку высокочастотный ток должен проходить через ось ротора, а не проходить прямо через каждую. лопасть ротора.

Дифференциальный

Дифференциальные переменные конденсаторы

также имеют два независимых статора, но в отличие от конденсатора-бабочки, где емкости с обеих сторон увеличиваются одинаково при вращении ротора, в дифференциальном переменном конденсаторе емкость одной секции будет увеличиваться, а емкость другой секции уменьшаться, сохраняя постоянную сумму двух емкостей статора . Следовательно, дифференциальные переменные конденсаторы могут использоваться в емкостных потенциометрический схемы.

Параметры КПЕ

Основным параметром для таких деталей, который поможет определить возможность работы устройства в колебательном контуре, стала минимальная и максимальная емкость. Данный показатель чаще всего указывается рядом с самим конденсатором переменной емкости на схеме устройства.

Стоит отметить, что в таких устройствах, как радиоприемники и радиопередатчики, используется сразу несколько колебательных контуров. Для того чтобы настроить работу сразу нескольких частей, используют блоки конденсаторов. Один блок чаще всего состоит из двух, трех или более секций КПЕ.

Роторная часть для таких блоков обычно крепится на один общий вал для всех конденсаторов переменной емкости. Это делается для удобства, так как при вращении всего одного ротора появляется возможность изменения емкости сразу всех устройств, находящихся в этой секции.

Предельная непрерывная модель схемы импульсного регулирования емкости конденсаторов

На первой части периода переключений К и К1tn< t< tn+t схема описывается уравнением (6а). Во второй части периода tn+t< t< tn+1 = = tn+Т справедлива система ДУ:

где ki — коэффициент преобразования ГТ [ki] =А/В = Ом-1.

В векторно-матричной форме эта система уравнений имеет вид:

• U = A2U + h2i, (9)

где

Предельная непрерывная модель схемы рис. 3а описывается уравнением:

• U = AU + hi, (10)

где

Система ДУ предельной непрерывной модели системы имеет вид:

Подставляя (uC1–uC2), выраженное из второго уравнения, в первое и учтя, что uC1 ~ uC2, с хорошей точностью получаем:

где

При kir = 1 получаем

Сэкв = С1+ gС2. (12а)

Переходя к изображениям по Лапласу в векторно-матричном уравнении (10) при нулевых начальных условиях, получаем:

Uab(p) = UC1(p) = cT-1hI(p),

где Uab(p) = UC1(p) = L{uC1(t)}, I(p) = L{i(t)}— преобразование Лапласа uC1(t) и i(t) соответственно, Е — единичная 2×2 матрица, cT = [1,0] — вектор-строка.

Из последнего уравнения получаем передаточную функцию предельной непрерывной модели цепи рис. 3а:

Разложение W(p) на сумму двух простейших дробей дает:

где

Согласно (14) можно построить эквивалентную электрическую схему предельной непрерывной модели, представленную на рис. 3б:

Переходя к изображениям по Лапласу, получаем:

Сравнение выражений (14) и (15) дает:

Схемы КПЕ

Важно отметить, что на схеме каждый конденсатор, который входит в блок, отображается отдельно. Для того чтобы указать, что емкость переменного конденсатора из этого блока и остальных элементов может быть изменена при помощи всего одной ручки, управляющей всем блоком, те стрелки, который обозначают регулирование, должны быть соединены одной штриховой линией механической связи.

Стоит отметить, что есть некоторые разновидности таких КПЕ. Один из видов — это дифференциальные конденсаторы, которые нашли свое применение, к примеру, в плечах емкостных мостов. Особенностью этого вида будет то, что он имеет два ряда статорных пластин и один ряд роторных. Расположение групп пластин таково: когда одна группа выходит из зазора, вторая тут же занимает их место. В этот момент емкость конденсатора переменного тока дифференциального типа будет уменьшаться между пластинами первой группы статора и группой ротора. А вот между второй группой пластин статора и группой ротора этот показатель будет расти. Таким образом, суммарное значение будет все время оставаться неизменным.

Подстроечные КПЕ

Еще один вид КПЕ — это подстроечные конденсаторы. Их используют для того, чтобы задать начальную емкость колебательного контура, которая будет определять максимальную частоту его настройки. Емкость конденсатора в цепи переменного тока этого типа может быть изменена от нескольких единиц пикоФарадов до нескольких десятков пикоФарадов. В некоторых случаях может быть достигнута и большая емкость.

К таким типам КПЕ предъявляется основное требование, которое заключается в возможности плавно изменять показатель емкости. Также этот конденсатор должен обеспечивать надежную фиксацию ротора в заданном положении.

Чем конденсатор больше не является

Одно из общераспространенных мнений состоит в том, что основная роль конденсатора заключается в хранении заряда, подобно тому, как ведро с водой наполняется одной чашкой и в то же время опустошается другой.

Если вы когда-либо вступали в дискуссию “протекает ли ток через конденсатор” и уходили больше в политику, чем в физику, вы знаете, что типовые аналогии не имеют особого смысла, когда речь идет о переменном токе. Конденсатор – это просто два проводника, разделенных диэлектриком, и нигде в основных физических объяснениях его свойств вы не найдете объяснения того, что с этим делать.

Хранение энергии – это лишь одно из множества применений конденсатора, таких как фильтрация, формирование и инвертирование электрических сигналов и импедансов. Мы привыкли думать, что это основное применение конденсатора, поскольку это было его первым применением на заре электричества постоянного тока и электроскопа Уильяма Гилберта, изобретенного в XV веке.

Конструкция КПК

Наиболее распространенным типом подстроечного конденсатора является керамический. Конструкция этого устройства следующая. Основание детали — керамический статор, а также подвижное основание, закрепленное на нем в форме диска — ротор. Обкладками в данном элементе служат тонкие слои серебра. Наносятся они при помощи вжигания. Вжигание осуществляется на статор, а также на наружную стенку ротора.

Для того чтобы изменить или определить емкость переменного конденсатора этого типа, необходимо вращать ротор. Если говорить о наиболее простой аппаратуре, то в ней чаще всего используется проволочный подстроечный конденсатор. Состоит данная деталь из отрезка медной проволоки диаметром 1-2 мм. Длина же этого элемента 15-20 мм. На проволоку очень плотно, виток к витку, наматывается изолированный провод диаметром 0,2-0,3 мм. Для того чтобы изменить емкость в данном устройстве, необходимо отматывать провод. Чтобы в это время не сползла обмотка с него, необходимо пропитать ее любым изоляционным составом.

Емкость сопротивления конденсатора в цепи переменного тока

Здесь важно отметить, что ток в цепи, в которой имеется конденсатор, может протекать лишь при условии, что будет изменяться приложенное напряжение. Также нужно понимать, что сила тока, который будет циркулировать в цепи, во время разряда и заряда этого элемента будет тем больше, чем больше емкость самого конденсатора, а также будет зависеть от скорости, с которой происходят изменения электродвижущей силы (ЭДС).

Еще одно свойство. Конденсатор с переменной емкостью, который включен в цепь именно с переменным током, будет являться для этой цепи сопротивлением. Другими словами, величина именно емкостного сопротивления будет тем меньше, чем больше будет значение самой емкости и чем выше будет частота действующего тока. Однако это утверждение справедливо лишь для цепи, в которой ток переменный. Емкость конденсатора равна бесконечности, то есть его сопротивление будет бесконечно, если разместить такой элемент в цепи с постоянным током.

Назначение конденсаторов

Конденсатор является пассивным элементом электронной схемы, состоящей их двух токопроводящих обкладок, которые разделены каким-нибудь диэлектриком.

Свойства и выполняемые функции

Основной задачей конденсатора является накопление определенного объема электростатического заряда на обкладках, после включения его в цепь под напряжением. Когда питание отключается, конденсатор сохраняет полученный заряд.

• Если конденсатор подключен к замкнутой цепи, но уже без питания, или напряжение в ней будет ниже, чем то, что накоплено в конденсаторе, то произойдет полная либо частичная разрядка элемента с высвобождение накопленной энергии.

• Тут же введем понятие о емкости конденсатора. Простыми словами – это количество электрической энергии, которую способен накопить элемент, включенный в сеть. Обозначается этот параметр латинской буквой «С», а измеряется он в Фарадах (F).

Интересно знать! Конденсаторы переменного тока большой емкости способны создавать при быстром разряде очень мощные импульсы. Использовать их можно, к примеру, в мощных фотовспышках.

• Рассчитывается емкость по следующей формуле: C=q/U, где q – это заряд на одной обкладке в Кулонах (количество энергии, прошедшей через проводник за 1 сек при силе тока в 1 Ампер); а U – Напряжение в Вольтах между оболочками.

• На корпусе любого конденсатора содержатся данные о его основных параметрах, среди которых есть и емкость. На фото выше выделено красным, такое обозначение. Там же можно узнать рабочие напряжение и температуру.
• Все просто, однако стоит учитывать, что указанная емкость является номинальной, тогда как реальная ее величина может довольно сильно отличаться, на что оказывает влияние множество факторов.
• Емкость конденсатором может разниться от единиц пикофарад до десятков фарад, что зависит от площади электрода (чаще алюминиевой фольги).

Интересно знать! Чтобы увеличить полезную емкость фольгу сворачивают в рулоны – так получаются цилиндрические конденсаторы.

Если в схеме требуется большая емкость конденсаторов, то их подключают параллельно. В таком случае сохраняется рабочее напряжение, но емкость будет увеличиваться прямопропорционально, то есть составит сумму емкостей подключенных конденсаторов.

Если конденсаторы соединить последовательно, то емкость изменяться не будет, точнее она будет немного меньше, чем минимальная емкость, включенная в цепь. Для чего же нужно такое подключение? При нем вероятность пробоя одного из конденсаторов сводится минимуму, то есть они как бы распределяют нагрузку.

• Для конденсаторов характерен и такой параметр, как удельная емкость. Это прямое отношение емкости электро детали к массе или объему диэлектрика. Максимальные значения этого параметра могут быть достигнуты при наименьшей толщине диэлектрической прокладки, однако для пробоя такого конденсатора требуется меньшее напряжение, про которое мы сейчас и поговорим.
• Маркировка детали также указывает номинальное напряжение. Тут все предельно просто – это значение показывает максимальный уровень напряжения в цепи, при которой радиодеталь сможет отработать весь свой срок службы, не меняя при этом сильно своих заданных параметров.
• Отсюда простой вывод – напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального, иначе его может пробить.
• На уровень номинального напряжения влияют материалы, из которых конденсатор собран.

Понятие полярности для конденсаторов и их выход из строя

Интересно знать! У многих типов конденсаторов допустимое напряжение будет уменьшаться по мере его нагрева, поэтому на корпусах изделий также указывается и максимальная рабочая температура.

Выход из строя конденсаторов очень распространенная поломка в электротехнике. «Умирать» они могут по-тихому, просто вздувшись, или под канонаду нехилого взрыва, заливая все ближайшие детали электролитом, под «сценический дым» и прочие эффекты.

Именно поэтому диагностировать выход из строя этого элемента можно чисто визуально, без применения тестовой аппаратуры, но не всегда.

Многие электролитические конденсаторы (с оксидным диэлектриком), из-за особенностей взаимодействия диэлектрика и электролита, способны работать только при соблюдении определенной полярности, о чем обязательно гласит соответствующая маркировка на корпусе детали.

• При попытке включить их в цепь в обратной полярности, конденсаторы обычно моментально выходят из строя – разрушается диэлектрик, закипает электролит, в результате чего произойдет тот самый взрыв.
• Взрываются конденсаторы довольно часто, особенно в импульсных устройствах. Происходит это из-за перегрева, по причине утечки или увеличения эквивалентного последовательного сопротивления по мере старения детали.
• Не секрет, что поврежденная деталь в любой схеме может быть заменена на новую, и устройство будет функционировать как и раньше, однако последствия взрыва могут быть достаточно серьезны — повредятся соседние элементы, что сильно осложнит ремонт, плюс возрастет его цена.

Для уменьшения последствий на корпусах конденсаторов большой емкости устанавливают клапан или же делают насечку с торца в виде букв «Х, К, и Т». Такие конденсаторы взрываются очень редко, из-за того, что либо клапан, либо разрушившийся по насечке корпус выпускают электролит в виде едких испарений, то есть давление внутри корпуса снижается.

Прочие параметры

Помимо тех параметров, что мы уже разобрали, конденсаторы обладают индуктивностью и собственным сопротивлением, поэтому схему реального конденсатора можно представить следующим образом.

Данные параметры можно назвать паразитическими, так как они препятствуют идеальной работе детали.

К таковым относятся (обозначаем как в схеме выше):

• Сопротивление изоляции конденсатора (r) – значение определяемое соотношением фактического напряжения приложенного к конденсатору к току утечки.
• Эквивалентное последовательное сопротивление (R) – это электрическое сопротивление материала, из которого изготовлены обкладки, выводов конденсатора и контактов с платой. Сюда же стоит включать потери в диэлектрике. ЭПС начинает увеличиваться с возрастанием частоты тока.
• Поглощение диэлектрика. При быстрой разрядке конденсатора в момент подключения нагрузки с низким сопротивлением, если снять нагрузку, то, спустя какое то время, можно увидеть, что напряжение на выводах конденсатора начнет медленно увеличиваться. Это явление называется еще абсорбцией электрического заряда. Насколько интенсивно будет проявляться этот эффект зависит от свойств применяемого в конденсаторе диэлектрика.

Также к паразитным параметрам относятся тангенс угла потерь и температурный коэффициент емкости, однако лезть так глубоко в дебри в ознакомительной статье мы не будем.

Типы конденсаторов

Классифицируются конденсаторы, прежде всего, по типу используемого в них диэлектрика, который и определяет все электрические параметры элемента.

• Вакуумные конденсаторы – строение их таково, что несколько коаксиальных цилиндров, которые встроены один в один, располагаются во внешнем стеклянном цилиндре. Для этих устройств характерна наибольшая мощность в единице объема.

• Воздушные или газовые конденсаторы – бывают постоянной и переменной емкости. Применяются они в основном в электроизмерительном оборудовании, радиоприемниках и передатчиках, так как позволяют настраивать колебательные контуры.
• Конденсаторы с жидким диэлектриком;

• Конденсаторы с твердыми неорганическими диэлектриками – к ним относятся модели на стеклоэмалях, стеклокерамике, стеклопленках, слюде, керамике и прочем. Для таких конденсаторов характерна очень большая емкость, несмотря на их скромные габариты.

• Конденсаторы с твердыми органическими диэлектриками – здесь разнообразие тоже велико: бумажные и металлобумажные, пленочные и комбинированные.

• Отдельно можно выделить конденсаторы электролитические и оксидно-полупроводниковые, так как их отличает большая удельная емкость. В качестве диэлектрика в них используется слой оксида вокруг металлического анода. Вторая обкладка в нем – это либо электролит, в первом случае, либо полупроводник – во втором. Анод, в зависимости от конденсатора, может быть изготовлен из танталовой, ниобиевой или алюминиевой фольги, а также из спеченного порошка.

Такая классификация не единственная и различают конденсаторы и по возможности изменения их емкости:

• Постоянные – это конденсаторы, емкость которых является постоянной в течение срока службы, не считая изменений связанных со старением детали.

• Переменные – этот вид способен менять свою емкость во время работы оборудования. Управление такими конденсаторами реализуется через механику, электрическое напряжение, а также температуру.

• Подстроечные – емкость этих конденсаторов также может меняться, но происходит это не во время работы аппаратуры, а разово, при установке или настройке. Применяются они в основном при выравнивании начальных емкостей у сопрягаемых контуров, а также для регулировки параметров цепей схем.

Применение конденсаторов

Заканчивая первую часть статьи, не можем не обратить внимание на сферы применения этих элементов электрических цепей. А применяются они повсеместно.

• Их комбинируют с катушками индуктивности и резисторами, чтобы получать цепи, в которых свойства тока будут зависеть от его частоты, например, фильтр частот или цепь обратной связи колебательного контура.
• В системах, где требуется создание мощного импульса, про которые мы уже сегодня упоминали – вспышки фотоаппаратов, импульсные лазеры, генераторы Маркса и прочее.
• Применяются конденсаторы и в качестве элемента памяти, так как способны сохранять заряд достаточно длительное время. Это же свойство применяется в устройствах, предназначенных для хранения энергии.
• Если говорить об электротехнике промышленного уровня, то конденсаторы применяются для компенсации реактивной мощности и в качестве фильтров высших гармоник.

И это далеко не все сферы, но мы думаем, что этого пока достаточно. Давайте лучше перейдем к опытам и посмотрим, что же происходит с током, когда он проходит через конденсатор.

Основные параметры для КПЕ

Существует несколько основных параметров для такого рода конденсаторов.

Один из основных — это закон изменения емкости. Данный закон определяет характер изменения емкости. Изменение этого параметра будет происходить в зависимости от угла поворота или же от линейного перемещения подвижной части пластин конденсатора по отношению к их неподвижным частям.

Еще одно из свойств — это температурная стабильность. Данный показатель напрямую зависит от конструкции самого конденсатора. Чаще всего данный показатель является положительным, а для конденсаторов с воздухом в качестве диэлектрика показатель не превышает (200:300) 10-61/град. Если говорить о конденсаторах с твердым диэлектриком, то у них это значение превышает данный показатель.

Основные величины и единицы измерения

Для того чтобы рассчитать электроемкость, необходимо разделить величину заряда, накопленного между обкладками, на модуль разницы потенциалов между ними (напряжение на конденсаторе). Заряд конденсатора в данном случае – это заряд, накапливающийся на одной из обкладок рассматриваемого устройства. На 2-х проводниках устройства они одинаковы по модулю, но отличаются по знаку, поэтому сумма их всегда равняется нулю. Заряд конденсатора измеряется в кулонах (Кл), а обозначается буквой Q.

Интересно почитать: принцип действия и основные характеристики варисторов.