Condensatoare: scop, dispozitiv, principiu de funcționare

În toate dispozitivele radio și electronice, cu excepția tranzistoarelor și a microcircuitelor, se folosesc condensatoare. În unele circuite există mai multe dintre ele, în altele mai puțin, dar absolut fără condensatoare nu există practic niciun circuit electronic.

În acest caz, condensatorii pot efectua o varietate de sarcini în dispozitive. În primul rând, acestea sunt containerele din filtrele redresoarelor și stabilizatoarelor. Cu ajutorul condensatorilor, se transmite un semnal între etapele amplificatorului, se construiesc filtre de joasă și înaltă frecvență, se stabilesc intervale de timp în întârzierile de timp și se selectează frecvența de oscilație în diferite generatoare.

Condensatorii conduc de la bancile de leidencare la mijlocul secolului al XVIII-lea a fost folosit în experimentele lor de savantul olandez Peter van Mushenbrook. El a locuit în orașul Leiden, așa că este ușor de ghicit de ce a fost numită această bancă.

De fapt, acesta era un borcan de sticlă obișnuit, căptușit în interior și exterior cu o folie de staniu - staniol. A fost folosit în aceleași scopuri ca aluminiul modern, dar atunci aluminiul nu era încă deschis.

Singura sursă de energie electrică în acele zile era o mașină electroforă, capabilă să dezvolte o tensiune de până la câteva sute de kilovoliți. De la ea au încărcat un borcan Leyden. În manualele de fizică, este descris un caz atunci când Mushenbrook și-a descărcat cutia printr-un lanț de zece paznici care țineau mâna.

În acel moment, nimeni nu știa că consecințele pot fi tragice. Lovitura s-a dovedit a fi destul de sensibilă, dar nu fatală. Nu s-a ajuns la asta, deoarece capacitatea borcanului Leyden a fost nesemnificativă, impulsul s-a dovedit a fi de scurtă durată, deci puterea de descărcare a fost mică.

Cum este condensatorul

Dispozitivul condensatorului nu este practic diferit de borcanul Leyden: toate aceleași două plăci, separate printr-un dielectric. Așa se arată condensatoarele pe circuitele electrice moderne. Figura 1 prezintă o structură schematică a unui condensator plat și formula pentru calculul acestuia.

Figura 1. Dispozitiv plat condensator

Aici S este zona plăcii în metri pătrați, d este distanța dintre plăcile în metri, C este capacitatea în faraduri, ε este constanta dielectrică a mediului. Toate valorile incluse în formulă sunt indicate în sistemul SI. Această formulă este valabilă pentru cel mai simplu condensator plat: puteți așeza pur și simplu două plăci metalice lângă ele, din care se trag concluzii. Aerul poate servi drept dielectric.

Din această formulă se poate înțelege că capacitatea condensatorului este mai mare, cu atât suprafața plăcilor este mai mare și distanța dintre ele este mai mică. Pentru condensatoarele cu o geometrie diferită, formula poate fi diferită, de exemplu, pentru capacitanța unui singur conductor sau cablu electric. Însă dependența capacitanței de zona plăcilor și distanța dintre ele este aceeași cu cea a unui condensator plat: cu cât este mai mare suprafața și cu cât distanța este mai mică, cu atât capacitatea este mai mare.

De fapt, plăcile nu sunt întotdeauna plate. Pentru mulți condensatori, de exemplu, hârtia, plăcile sunt folie de aluminiu laminate împreună cu un dielectric de hârtie într-o bilă strânsă, în formă de carcasă metalică.

Pentru a crește rezistența electrică, hârtia condensator subțire este impregnată cu compoziții izolatoare, cel mai adesea ulei transformator. Acest design vă permite să realizați condensatoare cu o capacitate de până la câteva sute de microfaraduri. Condensatoarele cu alte dielectrice sunt aranjate în mod similar.

Formula nu conține restricții cu privire la suprafața plăcilor S și la distanța dintre plăci d.Dacă presupunem că plăcile pot fi luate foarte departe și, în același timp, face plăcile foarte mici, atunci o anumită capacitate, deși mică, va rămâne. Acest raționament sugerează că chiar și doi conductori aflați în cartier au o capacitate electrică.

Această circumstanță este utilizată pe scară largă în tehnologia de înaltă frecvență: în unele cazuri, condensatoarele sunt făcute pur și simplu sub formă de piste de circuit imprimat sau chiar doar două fire răsucite împreună în izolație din polietilenă. De asemenea, o capacitate de cabluri sau cabluri obișnuite au o capacitate, iar cu lungimea tot mai mare crește.

În afară de capacitanța C, orice cablu are și rezistență R. Ambele proprietăți fizice sunt distribuite de-a lungul lungimii cablului, iar la transmiterea semnalelor pulsate, funcționează ca un lanț RC integrator, prezentat în figura 2.

Figura 2

În figură, totul este simplu: aici este circuitul, aici este semnalul de intrare, dar aici este la ieșire. Impulsul este denaturat dincolo de recunoaștere, dar acest lucru este făcut în mod intenționat, pentru care circuitul este asamblat. Între timp, vorbim despre efectul capacității cablului asupra semnalului pulsului. În loc de un impuls, un astfel de „clopot” va apărea pe celălalt capăt al cablului, iar dacă impulsul este scurt, atunci este posibil să nu ajungă deloc la celălalt capăt al cablului, este complet dispărut.

Fapt istoric

Aici este destul de potrivit să amintim povestea modului în care s-a pus cablul transatlantic. Prima încercare din 1857 a eșuat: punctele telegrafice - linii (impulsuri dreptunghiulare) au fost deformate, astfel încât nimic nu putea fi dezasamblat la celălalt capăt al liniei de 4000 km.

O a doua încercare a fost făcută în 1865. Până în acest moment, fizicianul englez W. Thompson dezvoltase teoria transmiterii datelor pe linii lungi. În lumina acestei teorii, rutarea cablurilor s-a dovedit a fi mai reușită și am putut primi semnale.

Pentru această fază științifică, regina Victoria i-a acordat omului de știință cavalerul și titlul de Lord Kelvin. Acesta a fost numele micului oraș de pe coasta Irlandei, unde a început așezarea cablurilor. Dar acesta este doar un cuvânt, iar acum revenim la ultima literă din formulă, și anume la constanta dielectrică a mediului ε.

Un pic despre dielectrice

Aceasta este în numitorul formulei, prin urmare, creșterea acesteia va atrage o creștere a capacității. Pentru majoritatea dielectricelor utilizate, precum aerul, lavanul, polietilena, fluoroplastica, această constantă este aproape aceeași cu cea a vidului. Dar, în același timp, există multe substanțe a căror constantă dielectrică este mult mai mare. Dacă condensatorul de aer este umplut cu acetonă sau alcool, atunci capacitatea acestuia va crește la fiecare 15 ... 20.

Dar astfel de substanțe, pe lângă ε-uri ridicate, au și o conductivitate suficient de ridicată, de aceea un astfel de condensator nu va ține bine o încărcare, se va descărca rapid prin sine. Acest fenomen dăunător se numește curent de scurgere. Prin urmare, sunt dezvoltate materiale speciale pentru dielectrice care, cu o capacitate specifică ridicată a condensatorilor, asigură curenți de scurgere acceptabili. Aceasta explică diversitatea tipurilor și tipurilor de condensatoare, fiecare dintre acestea fiind proiectat pentru condiții specifice.

Condensator electrolitic

Cea mai mare capacitate specifică (raport capacitate / volum) condensatoare electrolitice. Capacitatea „electroliților” ajunge până la 100.000 microfarad, iar tensiunea de funcționare este de până la 600V. Astfel de condensatoare funcționează bine doar la frecvențe joase, cel mai adesea în filtrele de alimentare. Condensatoarele electrolitice sunt activate în polaritate.

Electrozii din astfel de condensatoare sunt o peliculă subțire de oxid de metal, astfel încât de multe ori acești condensatori sunt numiți oxid. Un strat subțire de aer între astfel de electrozi nu este un izolator foarte fiabil, prin urmare, un strat de electrolit este introdus între plăcile de oxid. Cel mai adesea acestea sunt soluții concentrate de acizi sau alcaline.

Figura 3 prezintă unul dintre acești condensatori.

Figura 3. Condensator electrolitic

Pentru a evalua dimensiunea condensatorului, alături de acesta a fost fotografiată o simplă cutie de chibrituri. Pe lângă o capacitate suficient de mare din figură, puteți vedea și toleranța procentuală: nu mai puțin de 70% din nominal.

În acele zile când computerele erau mari și numite computere, astfel de condensatoare erau în unități (în HDD-ul modern). Capacitatea informațională a acestor unități poate provoca acum doar un zâmbet: 5 megabyte de informații au fost stocate pe două discuri cu un diametru de 350 mm, iar dispozitivul în sine cântărea 54 kg.

Scopul principal al supercapacitoarelor prezentate în figură a fost retragerea capetelor magnetice din zona de lucru a discului în timpul unei întreruperi bruște a puterii. Astfel de condensatori ar putea stoca o taxă timp de câțiva ani, care a fost testat în practică.

Un pic mai mic cu condensatoarele electrolitice va fi oferit să facă câteva experimente simple pentru a înțelege ce poate face un condensator.

Pentru a funcționa în circuite de curent alternativ, sunt produse condensatoare electrolitice nepolare, asta este doar dificil pentru a le obține din anumite motive. Pentru a rezolva cumva această problemă, „electroliții” polari obișnuiți includ contra-secvențiale: plus-minus-minus-plus.

Dacă condensatorul electrolitic polar este inclus în circuitul curentului alternativ, acesta se va încălzi mai întâi, apoi se va auzi o explozie. Condensatoarele vechi interne împrăștiate în toate direcțiile, în timp ce cele importate au un dispozitiv special care evită fotografiile puternice. Aceasta este, de obicei, o crestătură încrucișată pe partea inferioară a condensatorului, sau o gaură cu un dop de cauciuc situat în același loc.

Nu le plac condensatoarele electrolitice de tensiune crescută, chiar dacă se observă polaritatea. Prin urmare, nu ar trebui să puneți „electroliți” într-un circuit în care este de așteptat o tensiune aproape de maxim pentru un condensator dat.

Uneori, pe unele forumuri, chiar de renume, începătorii pun o întrebare: „Capacitatea 470µF * 16V este indicată pe circuit, iar eu am 470µF * 50V, pot să o pun?” Da, desigur puteți, dar înlocuirea inversă nu este permisă.

Condensatorul poate stoca energie

Pentru a face față acestei afirmații, o diagramă simplă prezentată în figura 4 vă va ajuta.

Figura 4. Circuit cu condensator

Protagonistul acestui circuit este un condensator electrolitic C cu o capacitate suficient de mare pentru ca procesele de descărcare de sarcină să se desfășoare încet și chiar foarte clar. Aceasta face posibilă observarea vizuală a funcționării circuitului folosind o lumină convențională de la o lanternă. Aceste lumini au cedat mult timp LED-urilor moderne, dar becurile pentru ele sunt încă vândute. Prin urmare, este foarte ușor să asamblați un circuit și să efectuați experimente simple.

Poate cineva va spune: „De ce? La urma urmei, totul este evident și chiar dacă citiți descrierea ... ” Se pare că nu există nimic de argumentat aici, dar orice, chiar și cel mai simplu, rămâne în cap mult timp dacă înțelegerea ei a ajuns prin mâini.

Deci, circuitul este asamblat. Cum lucrează?

În poziția comutatorului SA, prezentat în diagramă, condensatorul C este încărcat de la sursa de alimentare GB prin rezistența R din circuit: + GB __ R __ SA __ C __-GB. Curentul de încărcare din diagramă este afișat printr-o săgeată cu indexul. Procesul de încărcare a unui condensator este prezentat în figura 5.

Figura 5. Procesul de încărcare a condensatorului

Figura arată că tensiunea pe condensator crește de-a lungul unei curbe, în matematică numită exponent. Curentul de încărcare reflectă direct tensiunea de încărcare. Pe măsură ce tensiunea din condensator crește, curentul de încărcare devine din ce în ce mai mic. Și numai la momentul inițial corespunde formulei prezentate în figură.

După ceva timp, condensatorul va fi încărcat de la 0V la tensiunea sursei de alimentare, în circuitul nostru la 4.5V. Întreaga întrebare este: cum este timpul să determinăm cât timp să aștepți, când se va încărca condensatorul?

Constanta de timp Tau τ = R * C

În această formulă, rezistența și capacitatea unei rezistențe și condensatoare conectate în serie sunt înmulțite pur și simplu.Dacă, fără a neglija sistemul SI, înlocuiți rezistența în Ohms, capacitatea în Farads, atunci rezultatul va fi în câteva secunde. De data aceasta este necesar ca condensatorul să încarce până la 36,8% din tensiunea sursei de alimentare. În consecință, pentru o taxă de aproape 100%, va fi necesar un timp de 5 * τ.

Adesea, neglijând sistemul SI, rezistența în Ohms este substituită în formulă, iar capacitatea este în microfaraduri, apoi timpul se va afișa în microsecunde. În cazul nostru, este mai convenabil să obțineți rezultatul în câteva secunde, pentru care trebuie doar să multiplicați microsecundele cu un milion sau, mai simplu spus, să mutați virgula cu șase caractere spre stânga.

Pentru circuitul prezentat în figura 4, cu un condensator de 2000 μF și o rezistență de 500 Ω, constanta de timp va fi τ = R * C = 500 * 2000 = 1.000.000 microsecunde sau exact o secundă. Astfel, va trebui să așteptați aproximativ 5 secunde până când condensatorul este complet încărcat.

Dacă după trecerea timpului specificat, comutatorul SA este rotit în poziția corectă, atunci condensatorul C este descărcat prin becul EL. În acest moment, va apărea un bliț scurt, condensatorul se va descărca și lumina se va stinge. Direcția de descărcare a condensatorului este indicată de o săgeată cu indexul ip. Timpul de descărcare este determinat și de constanta de timp τ. Graficul de descărcare este prezentat în figura 6.

Figura 6. Graficul de descărcare a condensatorului

Condensatorul nu trece curent continuu

Pentru a verifica această afirmație, vă va ajuta o schemă și mai simplă, prezentată în figura 7.

Figura 7. Circuit cu un condensator în circuitul continuu

Dacă închideți întrerupătorul SA, atunci va urma un scurt fulger al becului, ceea ce indică faptul că condensatorul C este încărcat prin bec. Graficul de încărcare este, de asemenea, prezentat aici: în momentul în care se închide comutatorul, curentul este maxim, pe măsură ce condensatorul se încarcă, scade și după un timp se oprește complet.

Dacă condensatorul este de bună calitate, adică. cu un curent mic de scurgere (auto-descărcare), închiderea repetată a întrerupătorului nu va conduce la un flash. Pentru a obține un alt bliț, condensatorul va trebui descărcat.

Condensator în filtrele de putere

Condensatorul este de obicei plasat după redresor. Cel mai adesea, redresoarele sunt făcute cu jumătate de undă. Cele mai frecvente circuite redresoare sunt prezentate în figura 8.

Figura 8. Circuite redresoare

Redresoarele cu jumătate de undă sunt de asemenea folosite destul de des, de regulă, în cazurile în care puterea de încărcare este nesemnificativă. Cea mai valoroasă calitate a acestor redresoare este simplitatea: o singură diodă și înfășurarea transformatorului.

Pentru un redresor cu jumătate de undă, capacitatea condensatorului de filtrare poate fi calculată după formulă

C = 1.000.000 * Po / 2 * U * f * dU, unde C este condensatorul μF, Po este puterea de încărcare W, U este tensiunea la ieșirea V a redresorului, f este frecvența tensiunii AC Hz, dU este amplitudinea de ondulare V.

Un număr mare de 1.000.000 convertește capacitatea condensatorului de la Farads la microfarad. Cele două din numitor reprezintă numărul de jumătăți ale redresorului: pentru o jumătate de undă în locul său, va apărea o unitate

C = 1.000.000 * Po / U * f * dU,

iar pentru un redresor trifazic, formula va lua forma C = 1.000.000 * Po / 3 * U * f * dU.

Supercapacitor - Ionistor

Recent, o nouă clasă de condensatoare electrolitice, așa-numitele ionistor. În ceea ce privește proprietățile sale, este similar cu o baterie, cu mai multe limitări.

Ionistorul se încarcă la tensiunea nominală într-un timp scurt, literalmente în câteva minute, de aceea este recomandabil să o utilizați ca sursă de alimentare de rezervă. De fapt, ionistorul este un dispozitiv non-polar, singurul lucru care determină polaritatea acestuia este încărcarea din fabrică. Pentru a nu confunda această polaritate în viitor, este indicată prin semnul +.

Un rol important îl joacă condițiile de funcționare ale ionistorilor. La o temperatură de 70 ° C la o tensiune de 0,8 din durabilitatea nominală garantată nu mai mult de 500 de ore.Dacă dispozitivul va funcționa la o tensiune de 0,6 față de valoarea nominală și temperatura nu depășește 40 de grade, atunci este posibilă funcționarea corespunzătoare timp de 40.000 ore sau mai mult.

Cele mai frecvente aplicații ionistor sunt sursele de alimentare de rezervă. Acestea sunt în principal jetoane de memorie sau ceasuri electronice. În acest caz, principalul parametru al ionistorului este un curent de scurgere scăzut, auto-descărcare.

Destul de promițătoare este utilizarea ionistorilor împreună cu panourile solare. De asemenea, afectează non-criticitatea stării de încărcare și un număr aproape nelimitat de cicluri de încărcare-descărcare. O altă proprietate valoroasă este aceea că ionistorul nu necesită întreținere.

Până acum s-a dovedit cum și unde funcționează condensatoarele electrolitice și în principal în circuitele cu curent continuu. Funcționarea condensatorilor în circuitele AC va fi descrisă într-un alt articol - Condensatoare pentru instalații electrice de curent alternativ.

Boris Aladyshkin 

P.S. Un caz de utilizare interesant pentru condensatori: sudarea condensatorului