Категорије: Занимљиве чињенице, Практична електроника
Број прегледа: 231,928
Коментари на чланак: 9

Кондензатори: сврха, уређај, принцип рада

 

Кондензатори у електричним и електронским круговимаУ свим радио и електронским уређајима, осим транзистора и микроцикрута, користе се кондензатори. У неким круговима их је више, у другим мање, али електроничких кола без кондензатора практично нема.

У овом случају кондензатори могу обављати различите задатке на уређајима. Пре свега, то су контејнери у филтерима исправљача и стабилизатора. Уз помоћ кондензатора, сигнал се преноси између фаза појачала, уграђују се филтери ниске и високе фреквенције, постављају се временски интервали у временским кашњењима и бира се фреквенција осцилација у различитим генераторима.

Кондензатори воде од леиден банкамакоји је средином 18. века у својим експериментима користио холандски научник Петер ван Мусхенброок. Живео је у граду Леиден, па је лако погодити зашто се ова банка звала.

Заправо, ово је била обична стаклена тегла, изнутра и споља обложена лименом фолијом - станиол. Коришћен је у исте сврхе као и савремени алуминијум, али тада алуминијум још није био отворен.

Једини извор електричне енергије тих дана била је електрофорна машина, способна да развије напон до неколико стотина киловолта. Тако су од ње напунили теглу Леиден. У уџбеницима физике описан је случај када је Мусхенброок испразнио своју лименку кроз ланац од десет чувара који су се држали за руке.

У то време нико није знао да последице могу бити трагичне. Ударац се показао прилично осетљивим, али не и кобно. До овога није дошло, јер је капацитет Леиденове тегле био незнатан, импулс се показао врло краткотрајним, тако да је снага пражњења била мала.


Како је кондензатор

Уређај кондензатора се практично не разликује од Леиденове стакленке: све исте плоче, раздвојене диелектриком. Овако су приказани кондензатори на модерним електричним круговима. Слика 1 приказује схематску структуру равног кондензатора и формулу за његово израчунавање.

Уређај с равним кондензатором

Слика 1. Уређај с равним кондензатором

Овде је С површина плоче у квадратним метрима, д је удаљеност између плоча у метрима, Ц је капацитивност у фарадама, ε је диелектрична константа медијума. Све вредности укључене у формулу су назначене у систему СИ. Ова формула важи за најједноставнији равни кондензатор: једноставно можете да поставите две металне плоче поред њих, из којих се извлаче закључци. Ваздух може послужити као диелектриц.

Из ове формуле се може схватити да је кондензатор већи, што је већа површина плоча и мања је удаљеност између њих. За кондензаторе различите геометрије, формула може бити различита, на пример, за капацитивност једног проводника или електрични кабл. Али зависност капацитивности од површине плоча и растојања између њих иста је као и код равног кондензатора: што је већа површина и мања је удаљеност, већи је капацитет.

У ствари, плоче нису увек равне. За многе кондензаторе, на пример, папир, плоче су алуминијумска фолија ваљана заједно са папирним диелектриком у уској куглици, у облику металног кућишта.

Да би се повећала електрична снага, папир танког кондензатора импрегниран је изолационим саставима, најчешће трансформаторским уљем. Овај дизајн вам омогућава да направите кондензаторе капацитета до неколико стотина микрофаради. Кондензатори са другим диелектрицима су слично распоређени.

Формула не садржи никаква ограничења на површину плоча С и на удаљеност између плоча д.Ако претпоставимо да се плоче могу одвести јако далеко, а истовремено чине површину плоча врло малим, тада ће неки капацитет, иако мали, ипак остати. Ово резоновање сугерише да чак и само два проводника у окружењу имају електрични капацитет.

Ова околност се широко користи у технологији високих фреквенција: у неким случајевима кондензатори су направљени једноставно у облику стаза са штампаним колом или чак само две жице уплетене у полиетиленску изолацију. Обични жличњаци или каблови такође имају капацитет, а са повећањем дужине повећавају се.

Поред капацитивности Ц, сваки кабл такође има отпор Р. Оба ова физичка својства су распоређена дуж дужине кабла, а приликом преноса импулса сигнала дјелују као интегрирајући РЦ - ланац, приказан на слици 2.

интегришући РЦ ланац

Слика 2

На слици је све једноставно: овдје је склоп, овдје је улазни сигнал, али овдје је на излазу. Импулс се изобличава до препознавања, али то се врши намерно, због чега је склоп склопљен. У међувремену, говоримо о утицају капацитета кабла на импулсни сигнал. Уместо импулса, такво „звоно“ ће се појавити на другом крају кабла, а ако је импулс кратак, можда уопште неће стићи до другог краја кабла, потпуно ће нестати.


Историјска чињеница

Овдје је сасвим прикладно присјетити се приче о томе како је положен трансатлантски кабл. Први покушај 1857. није успео: телеграфске тачке - цртице (правоугаоне импулсе) биле су изобличене тако да се на другом крају пруге од 4000 км није могло раставити ништа.

Други покушај је направљен 1865. године. До овог тренутка, енглески физичар В. Тхомпсон развио је теорију преноса података дужим редовима. У светлу ове теорије, проводник каблова показао се успјешнијим и било је могуће примати сигнале.

За овај научни подвиг, краљица Викторија је научнику поделила витештво и титулу лорда Келвина. То је био назив малог града на обали Ирске, где је почело полагање каблова. Али ово је само реч, и сада се враћамо на последње слово у формули, наиме на диелектричну константу медија ε.


Мало о диелектрикама

То је у називнику формуле, па ће његово повећање довести до повећања капацитета. За већину коришћених диелектрика, као што су ваздух, лавсан, полиетилен, флуоропластика, ова константа је скоро иста као у вакууму. Али истовремено, постоји много супстанци чија је диелектрична константа много већа. Ако се кондензатор зрака напуни ацетоном или алкохолом, тада ће се његов капацитет повећавати сваких 15 ... 20.

Али такве материје, поред високог ε, имају и довољно високу проводљивост, па такав кондензатор неће добро да задржи наелектрисање, већ ће се брзо испразнити кроз себе. Ова штетна појава назива се струја цурења. Због тога се развијају посебни материјали за диелектрике који, са великом специфичном запремином кондензатора, дају прихватљиве струје цурења. Ово објашњава разноликост типова и типова кондензатора, од којих је сваки дизајниран за специфичне услове.


Електролитички кондензатор

Највећи специфични капацитет (однос капацитета / запремине) електролитички кондензатори. Капацитет „електролита“ достиже и до 100 000 микрофаради, а радни напон до 600 В. Такви кондензатори добро раде само на ниским фреквенцијама, најчешће у филтерима напајања. Електролитички кондензатори су укључени у поларитет.

Електроде у таквим кондензаторима су танки филм металног оксида, па се ови кондензатори често називају оксидом. Танак слој ваздуха између таквих електрода није веома поуздан изолатор, па се између оксидних плоча уводи слој електролита. Најчешће су то концентроване растворе киселина или алкалија.

Слика 3 приказује један од ових кондензатора.

Електролитички кондензатор

Слика 3. Електролитички кондензатор

Да би се процијенила величина кондензатора, поред ње је сликана једноставна кутија за шибице. Поред довољно великог капацитета на слици, можете видети и проценат толеранције: не мање од 70% номиналне.

У оним данима када су рачунари били велики и звали се рачунари, такви су кондензатори били у погонима (у савременом ХДД-у). Информативни капацитет таквих дискова сада може само да изазове осмех: 5 мегабајта података било је смештено на два диска пречника 350 мм, а сам уређај је тежио 54 кг.

Главна сврха суперкондензатора приказаних на слици било је повлачење магнетних глава из радног подручја диска током наглог прекида напајања. Такви кондензатори могли су да складиште набој неколико година, што је тестирано у пракси.

Мало ниже с електролитичким кондензаторима биће понуђено да направите неке једноставне експерименте како бисте схватили шта кондензатор може.

Да бисте радили у наизменичним круговима, производе се неполарни електролитички кондензатори, то је једноставно набавити их из неког разлога врло тешко. Да би се некако заобишао овај проблем, обични поларни „електролити“ укључују контрасеквенцијални: плус-минус-минус-плус.

Ако је поларни електролитички кондензатор укључен у круг променљиве струје, прво ће се загревати, а затим ће се чути експлозија. Стари домаћи кондензатори распршени су у свим смеровима, док увезени имају посебан уређај који избегава гласне пуцњеве. То је обично или попречни зарез на дну кондензатора или рупа са гуменим чепом који се налази на истом месту.

Не воле електролитичке кондензаторе повећаног напона, чак и ако се примети поларитет. Стога никада не смијете стављати "електролите" у круг у којем се очекује напон који је близу максималног за одређени кондензатор.

Понекад на неким, чак угледним форумима, почетници постављају питање: „Кондензатор 470 µФ * 16В је наведен у кругу, а ја имам 470 µФ * 50В, могу ли да га ставим?“ Да, наравно да можете, али обрнута замена је неприхватљива.


Кондензатор може складиштити енергију

Да бисте се позабавили овом тврдњом, помоћи ће вам једноставан дијаграм приказан на слици 4.

Кондензаторски склоп

Слика 4. Круг с кондензатором

Главни актер овог кола је електролитички кондензатор Ц довољно великог капацитета, тако да се процеси пуњења набоја одвијају споро, па чак и врло јасно. То омогућава визуелно посматрање рада круга коришћењем конвенционалне светлости батеријске лампе. Ова светла одавно су уступила место модерним ЛЕД лампицама, али се сијалице за њих и даље продају. Стога је врло лако саставити склоп и провести једноставне експерименте.

Можда ће неко рећи: „Зашто? Уосталом, све је очигледно, па чак и ако прочитате опис ... " Чини се да овде нема шта да се расправља, али било која, чак и најједноставнија ствар, дуго остаје у глави ако би њено разумевање прошло кроз руке.

Дакле, склоп је склопљен. Како она ради?

У положају прекидача СА, приказаном на дијаграму, кондензатор Ц се пуни из извора напајања ГБ кроз отпорник Р у кругу: + ГБ __ Р __ СА __ Ц __ -ГБ. Струја пуњења на дијаграму приказана је стрелицом са индексом из. Процес пуњења кондензатора приказан је на слици 5.

Процес пуњења кондензатора

Слика 5. Процес пуњења кондензатора

На слици је приказано да се напон на кондензатору повећава дуж кривуље, у математици која се назива експонент. Струја набоја директно огледа напон набоја. Како напон преко кондензатора расте, струја наелектрисања постаје све мања. И само у почетном тренутку одговара формули приказаној на слици.

Након неког времена кондензатор ће се напунити од 0В до напона извора напајања, у нашем кругу до 4,5В. Цијело питање је како је вријеме одредити колико дуго чекати, када ће се кондензатор напунити?


Временска константа Тау τ = Р * Ц

У овој формули се отпор и капацитивност серијски повезаних отпорника и кондензатора једноставно множе.Ако без занемаривања СИ система замените отпор у Охма, капацитивност у Фарадсу, резултат ће бити у секунди. Управо је ово време потребно кондензатору да напуни до 36,8% напона извора напајања. У складу с тим, за наплату од скоро 100% биће потребно време 5 * τ.

Често занемарујући систем СИ, отпор у Охм-у се замењује у формули, а капацитивност је у микрофарадама, а време ће се испоставити у микросекундама. У нашем случају је погодније добити резултат у секунди, за које морате једноставно помножити микросекунде са милион или, једноставније речено, померити зарез са шест знакова улево.

За круг приказан на слици 4, с кондензатором од 2000 µФ и отпором отпора 500 Ω, временска константа ће бити τ = Р * Ц = 500 * 2000 = 1.000.000 микросекунди или тачно једна секунда. Стога ћете морати причекати око 5 секунди док се кондензатор потпуно не напуни.

Ако након одређеног времена прекидач СА буде окренут у правилан положај, тада се кондензатор Ц испушта кроз ЕЛ сијалицу. У овом тренутку ће се појавити кратки блиц, кондензатор ће се испразнити и светлост ће се угасити. Смјер пражњења кондензатора приказан је стрелицом са индексом ип. Време пражњења такође је одређено временском константом τ. Графикон пражњења приказан је на слици 6.

Граф пражњења кондензатора

Слика 6. Графикон пражњења кондензатора


Кондензатор не пролази директну струју

За потврђивање ове изјаве помоћи ће још једноставнија шема, приказана на слици 7.

Кондензатор истосмјерног круга

Слика 7. Круг с кондензатором у једносмерном кругу

Ако затворите прекидач СА, уследиће кратки бљесак сијалице, што указује да се кондензатор Ц напуни кроз сијалицу. Графикон набоја је такође приказан овде: у тренутку када се прекидач затвори, струја је максимална, како се кондензатор напуни, смањује се и након неког времена потпуно се зауставља.

Ако је кондензатор доброг квалитета, тј. с малом струјом цурења (самопражњење), опетовано затварање прекидача неће довести до блица. Да би добио још један блиц, кондензатор ће се морати испразнити.


Кондензатор у филтрима за напајање

Кондензатор се обично поставља после исправљача. Најчешће се исправљачи израђују полу-таласно. Најчешћи кругови исправљача приказани су на слици 8.

Исправљачки склопови

Слика 8. склопови исправљача

Полвучни исправљачи се такође користе прилично често, у правилу у случајевима када је снага оптерећења безначајна. Највреднији квалитет таквих исправљача је једноставност: намотавање само једне диоде и трансформатора.

За полу таласни исправљач, капацитет филтријског кондензатора може се израчунати формулом

Ц = 1.000.000 * По / 2 * У * ф * дУ, где је Ц кондензатор μФ, По је снага оптерећења В, У је напон на излазу исправљача В, ф је фреквенција наизменичног напона Хз, дУ је амплитуда валовитог напона В.

Велики број у бројачу од 1.000.000 претвара капацитет кондензатора из системског Фарадса у микрофарад. Два у називнику представљају број полу-периода исправљача: за пола таласа на његовом месту појавиће се јединица

Ц = 1.000.000 * По / У * ф * дУ,

а за трофазни исправљач формула ће имати облик Ц = 1,000,000 * По / 3 * У * ф * дУ.


Суперкапацитор - Ионистор

Недавно је нова класа електролитских кондензатора, тзв ионистор. По својим својствима сличан је батерији, међутим, с неколико ограничења.

Ионистор се у кратком времену, буквално у неколико минута, напуни називним напоном, па је препоручљиво користити га као резервни извор напајања. У ствари, ионистор је неполарни уређај, једино што одређује његов поларитет је пуњење у фабрици. Да се ​​овај поларитет не би збунио у будућности, то се означава знаком +.

Важну улогу играју услови рада ионистара. На температури 70 ° Ц на напону 0,8 номиналне загарантоване трајности не више од 500 сати.Ако уређај ради на напону од 0,6 од називног, а температура не прелази 40 степени, тада је правилан рад могућ 40 000 сати или више.

Најчешће ионисторске апликације су резервни извори напајања. То су углавном меморијски чипови или електронски сатови. У овом случају, главни параметар ионистора је мала струја цурења, његово само-пражњење.

Доста обећавајућа је употреба ионистара у комбинацији са соларним плочама. Такође утиче на некритичност стања наелектрисања и готово неограничен број циклуса пуњења и пражњења. Још једна драгоцена особина је да ионистор не захтева одржавање.

До сада се испоставило да кажу како и где раде електролитички кондензатори, и то углавном у истосмјерним круговима. Рад кондензатора у АЦ круговима биће описан у другом чланку - Кондензатори за електричне наизменичне струје.

Борис Аладисхкин 


П.С. Занимљив случај употребе кондензатора: кондензаторско заваривање

Погледајте и на електрохомепро.цом:

  • Поларни и неполарни кондензатори - у чему је разлика
  • Како одабрати кондензаторе за повезивање једнофазне и трофазне електроде ...
  • Кондензатори за електричне наизменичне струје
  • Електролитички кондензатори
  • Како одредити врсту кондензатора

  •  
     
    Коментари:

    # 1 написао: | [цитат]

     
     

    Хвала на информацијама. Желим додати да су оксидни кондензатори имали велику ману - електролит се осушио и капацитет на типској плочици је изгубљен, до тачке квара. Шта је са модерним оксидним кондензаторима?

    Поздрави, Владимир

     
    Коментари:

    # 2 написао: Борис Аладисхкин | [цитат]

     
     

    Заправо, овај недостатак још увек није нестао, кондензатори су се осушили и још увек суше. Можда је мање увезен од наших старих совјетских, мада, вероватно, они, односно увозни, исти се пресуше и изгубе свој капацитет. Нисмо толико времена разговарали с њима да кажемо да имају 50-годишњу гаранцију попут пластичних цеви! Недавно (због употребе у импулсним изворима напајања) појавио се још један критеријум погодности електролитских кондензатора - еквивалентни серијски отпор. Најкритичнији за употребу „електролита“ разних врста су прикладни аудиофили (само се подсетимо жице рафинираног бакра), о овој теми у овим круговима су читави форуми, па чак и само трговање електролитичким кондензаторима. Неки вјерују да су стари кондензатори које је произвео СССР имали добра својства, па чак жале што су једноставно одбачени.

     
    Коментари:

    # 3 написао: | [цитат]

     
     

    Диелектрична константа налази се у бројнику, а не у називнику, тако да његово повећање изазива повећање капацитета.

     
    Коментари:

    # 4 је написао / ла: Александра | [цитат]

     
     

    Кондензатори се такође користе у микрочиповима.
    Они раде због капацитета п-н спајања.

     
    Коментари:

    # 5 написао: Сергеи | [цитат]

     
     

    Хвала (Борис Аладискин) на занимљивом чланку. Читајте с лакоћом и задовољством. Не свугде ћете у једноставном опису наћи вредан опис сложених ствари. Само супер.

     
    Коментари:

    # 6 написао: | [цитат]

     
     

    Хвала! Кондензатори, њихове сорте и својства су за мене тешке теме. Али прочитао сам је и почео мало да разумем.

     
    Коментари:

    # 7 написао: | [цитат]

     
     

    Поздрав, не разумијем на овом дијаграму (бљескалица на ЛЕД-има, симетрични мултивибратор) рад кондензатора. Ако је лева страна кондензатора повезана са + извором напајања, како се пуни, како друга страна кондензатора подиже напон и како отвара базу транзистора? Колико знам плоча кондензатора која се налази на минусу, на овој се плочи ништа не мења, набоји су концентрисани само на плочи кондензатора +. То питање сам постављао на многим веб локацијама и још увек нема одговора, надам се да ћу добити одговор на овој страници. Хвала

     
    Коментари:

    # 8 је написао / ла: Михаил | [цитат]

     
     

    А пилесос Схмел (бумблебее) работает-ли без конденсатора? Работает, пробовал на пар секунди, но не испортит двигател?

     
    Коментари:

    # 9 је написао / ла: Јуриј | [цитат]

     
     

    Могу ли заменити 220мкф 25в са 1000мкф 25в.