На что влияет емкость конденсатора

Содержание

Конденсатор предназначен для временного хранения электрической энергии в форме потенциальной энергии разделенных в пространстве положительных и отрицательных электрических зарядов, то есть в форме электрического поля в пространстве между ними. Соответственно электрический конденсатор включает в себя три главных составляющих компонента: две проводящие обкладки, на которых в заряженном конденсаторе находятся разделенные заряды, и слой диэлектрика, расположенный между обкладками.

Обкладки конденсатора, в зависимости от типа данного электротехнического изделия, могут быть изготовлены разнообразными способами, начиная от простых алюминиевых пластин, скрученных в рулон с бумажной прослойкой, заканчивая химически оксидированными обкладками или металлизированным слоем диэлектрика. В любом случае имеется слой диэлектрика и обкладки, между которыми он плотно закреплен — это и есть в принципе конденсатор.

В качестве диэлектрика может выступать бумага, слюда, полипропилен, тантал или другой подходящий электроизоляционный материал с необходимой диэлектрической проницаемостью и обладающий надлежащей электрической прочностью.

Как известно, энергия разделенных в пространстве электрических зарядов равна произведению количества перемещенного (с одного тела — на другое) заряда Q на разность потенциалов между заряженными телами U.

Так, энергия разделенных зарядов на обкладках конденсатора зависит не только от количества разделенных зарядов, но и от параметров его обкладок и диэлектрика, поскольку именно диэлектрик, поляризуясь, запасает энергию в форме электрического поля, напряженность которого и определяет разность потенциалов U между разделенными зарядами, находящимися на обкладках конденсатора.

Потому что разность потенциалов между разделенными в пространстве зарядами зависит от напряженности электрического поля и от расстояния между ними. По сути — от толщины диэлектрика между заряженными обкладками, если речь идет о конденсаторе.

Вместе с тем, чем больше площадь перекрытия обкладок A и чем больше абсолютная (и относительная) диэлектрическая проницаемость диэлектрика e — тем сильнее притягиваются друг к другу находящиеся на обкладках разделенные заряды — тем существеннее их потенциальная энергия — тем большее количество работы потребовалось бы источнику ЭДС на то, чтобы зарядить данный конденсатор.

Разделяя заряды в процессе переноса электронов с одной обкладки на другую, источник ЭДС совершает именно такой объем работы по зарядке конденсатора, количество которой будет тождественно энергии заряженного конденсатора.

Таким обрезом, энергия заряженного конденсатора, помимо количества перемещенного с обкладки на обкладку заряда, (оно то может быть разным) будет зависеть от площади перекрытия обкладок A, от расстояния между обкладками d, от абсолютной диэлектрической проницаемости диэлектрика e.

Данные определяющие параметры конструкции конкретного конденсатора постоянны, их отношение в совокупности можно назвать емкостью конденсатора C. Тогда мы можем с уверенностью сказать, что емкость конденсатора C зависит от площади перекрытия обкладок A, от расстояния между ними d и от диэлектрической проницаемости диэлектрика e.

Зависимость емкости от данных параметров очень легко понять, если рассмотреть плоский конденсатор.

Чем больше площадь перекрытия его обкладок — тем больше емкость конденсатора, так как заряды взаимодействуют на большей площади.

Чем меньше расстояние между обкладками (по сути — толщина диэлектрической прослойки) — тем больше емкость конденсатора, потому что сила взаимодействия зарядов при их сближении увеличивается.

Чем больше диэлектрическая проницаемость диэлектрика между обкладками — тем больше емкость конденсатора, потому что больше напряженность электрического поля между обкладками.

Среди всего разнообразия радиоэлементов, используемых в схемотехнике, немаловажную и специфическую роль играют конденсаторы. Поскольку конденсаторы применяются в самых разнообразных областях радиотехники (от микропроцессорной техники до силовых установок), они имеют ряд отличительных особенностей и характеристик.

Внешний вид конденсаторов

Свойства и параметры конденсаторов

Конденсатор представляет собой систему из двух изолированных друг от друга проводников. При подключении источника питания к конденсатору на одной его пластине накапливается положительный заряд, создающий электрическое поле с напряженностью +Е, а на второй – отрицательный заряд, формирующий электрическое поле с напряженностью -Е. Величины этих зарядов одинаковые, но противоположны по знаку. Способность конденсатора накапливать заряд называется электрической емкостью.

Величина электрической емкости прямо пропорциональна заряду одного из проводников и обратно пропорциональна разности потенциалов или напряжению между проводниками:

Поскольку каждая из заряженных пластин плоского конденсатора создает вблизи поверхности электрическое поле, модуль напряженности которого равен:

Е – напряженность поля;
σ – поверхностная плотность заряда;
ε0 – электрическая постоянная;
ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

соответственно, объединив оба выражения, получается, что емкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин конденсатора, диэлектрической проницаемости диэлектрика и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами:

S – площадь обкладки конденсатора;
d – расстояние между обкладками, или толщина диэлектрика.

Силовые линии электрического поля конденсатора

По своему исполнению конденсаторы подразделяются на:

Вакуумные конденсаторы – в качестве диэлектрика выступает вакуум;
Конденсаторы с газообразным диэлектриком;
Конденсаторы с жидким диэлектриком;
Конденсаторы с твердым органическим диэлектриком. В качестве такого диэлектрика выступают бумага, металлобумага, пленочный и бумажнопленочный диэлектрик и тонкослойный диэлектрик из органических синтетических пленок;
Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Диэлектриком в них выступает оксидный слой, являющийся анодом. Второй обкладкой, или катодом, выступают либо электролит – в электролитических конденсаторах, либо слой полупроводника – в оксидно-полупроводниковых конденсаторах, нанесенных непосредственно на оксидный слой. В зависимости от типа конденсатора, анод изготавливается из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги.

По возможности изменения емкости конденсаторы подразделяются на:

Постоянные – емкость не меняется на всем сроке службы;
Переменные – допускается изменение емкости в процессе функционирования;
Подстроечные – емкость меняется разово или с некоторой периодичностью.

К основным параметрам конденсаторов относятся:

Электрическая или номинальная емкость конденсаторов;
Удельная емкость конденсаторов – представляет собой отношение номинальной емкости к объему или массе диэлектрика. Максимальное значение достигается при минимальной толщине диэлектрика, хотя при этом уменьшается напряжение пробоя;
Номинальное напряжение конденсаторов – представляет собой такое напряжение, при котором элемент будет работать с сохранением своих параметров в течение всего срока службы;
Полярность конденсаторов. Электролитические конденсаторы, ввиду своих конструктивных особенностей, функционируют только при корректной полярности напряжения. При противоположном подключении диэлектрик разрушается, и конденсатор выходит из строя.

Сокращенное обозначение конденсаторов:

К – постоянный;
КТ – подстроечный;
КП – переменной емкости;
КС – конденсаторные сборки;
КМ – керамический монолитный;
10 – керамический, до 1600В;
15 – керамический, от 1600В;
20 – кварцевый;
21 – стеклянный;
22 – стеклокерамический;
23 – стеклоэмалевый;
26 – тонкопленочный с неорганическим диэлектриком;
31 – слюдяной;
40 – бумажный и фольговый;
50 – оксидный, электролитический;
60 – воздушный;
61 – вакуумный;
70 – полистирольный диэлектрик.

Принципы подбора конденсаторов

Сталкиваясь с проблемой, как подобрать конденсатор, нужно запомнить несколько правил, которые позволят устройству работать долгое время с заданными характеристиками.

Для замены вышедшего из строя конденсатора достаточно переписать его маркировку и характеристики. Далее остается приобрести компонент, подбирая его в магазине, и заменить бракованный в схеме.

Многие устройства, используемые человеком, требуют постоянного электрического питания. Не возникает проблем, если под рукой имеется трансформаторный блок питания. Однако и понижающий трансформатор имеет свой основной недостаток, заключающийся в больших размерах и весе, он требует для себя отдельного места. Решить эту проблему можно, благодаря бестрансформаторному блоку питания, изготовленному на основе гасящего конденсатора.

Схема простого бестрансформаторного блока питания

Согласно схеме на рис. выше, во входном контуре размещен гасящий конденсатор С1, на котором глушится входное напряжение. Поскольку на входе устройства ток переменный, и конденсатор непрерывно перезаряжается, то на его выходе присутствует некий ток. Конденсатор большей емкости обуславливает больший ток. Соответственно, расчет гасящего конденсатора начинается с указания нагрузочного тока и напряжения.

Емкость гасящего или балластного конденсатора определяется по формуле:

C=Iэф/ 2πƒ√U2вх-U2вых, где:

С – емкость гасящего конденсатора (Ф);
Iэф – выходной ток блока питания;
ƒ – частота тока сети;
Uвх – входное напряжение;
Uвых – выходное напряжение.

При подборе конденсатора дополнительно необходимо обратить внимание на такие его параметры:

Напряжение конденсатора;
Тип конденсатора.

При питающем напряжении 220В нужно поставить конденсатор, рассчитанный на 400В. Однако надежнее использовать конденсатор с большей величиной напряжения. Но можно ли поставить его в схему или нет, определяет сам размер устройства, ввиду габаритов конденсатора. Максимально надежными по типу являются пленочные плоские конденсаторы, полиэтилентерефталатные металлизированные, МГБО, комбинированные и их аналоги.

Использование гасящих конденсаторов вместо трансформаторов максимально упростило создание компактных и надежных блоков питания. Рассчитать емкости и подобрать балластный конденсатор не составит большого труда даже для начинающих радиолюбителей.

Видео

Корректный подбор конденсатора обеспечивает работоспособность электрической схемы в точном соответствии с техническим заданием. Для некоторых конструкций, кроме емкости, необходимо обеспечить определенные размеры, устойчивость к неблагоприятным внешним воздействиям. Найти подходящие изделия в ассортименте специализированных магазинов поможет данная публикация.

Подразделения конденсаторов по возможности изменения емкости

По данному параметру детали этой категории делят на:

Специфические названия определяют главные конструктивные особенности, целевое назначение. Типовой постоянный конденсатор создают из проводящих обкладок, свернутых в рулон для уменьшения габаритов. Между ними устанавливают диэлектрик. Сборку помещают в металлический корпус или заливают полимером для обеспечения необходимых параметров защищенности.

В переменных и подстроечных моделях применяют наборы из пластин с механическим приводом. Изменением положения рабочих элементов устанавливают необходимое значение емкости. Каждое изделие рассчитано на определенный диапазон рабочих параметров. Такие конденсаторы применяют для точной настройки колебательного контура. Их устанавливают в радиоэлектронных блоках, чтобы регулировать отдельные рабочие параметры в процессе эксплуатации.

Свойства и параметры конденсаторов

Главным параметром приборов этой категории является емкость (С). Она определяет накопительные свойства изделия. Принцип работы базируется на переходе электронов на соответствующую пластину при подключении источника питания. В зависимости от полярности на соответствующем электроде появляются положительные (отрицательные) заряды.

Величина емкости зависит от нескольких параметров:

размеров пластин (площади обкладок);
расстояния между ними;
диэлектрических свойств материала в промежутке.

К сведению. Емкость указывают в кратных единицах. Пример: пФ или pF – это пикофарад (10-12 фарада).

Напряженность плоского конденсатора вычисляют по формуле:

где:

q – заряд;
e – диэлектрическая проницаемость;
S – рабочая площадь.

Из этого выражения несложно сделать вывод о взаимном влиянии электрических и конструкционных параметров. Емкость определяют следующим образом:

где:

d – расстояние между пластинами;
U – напряжение.

Для удобства применяют удельный показатель:

где V – объем изделия.

По нему делают вывод о том, насколько эффективно выполняет основные функции конденсатор. При высокой удельной емкости разрядка занимает больше времени, если подключают аналогичную нагрузку.

Классом точности или процентным отклонением обозначают допуск от номинальной емкости (значения указаны ± в %):

Потребительские параметры диэлектрика характеризуют электрической прочностью. Как правило, на корпусе изделия указывают номинал напряжения в длительном рабочем режиме для определенных условий с учетом диапазонов:

температуры;
относительной влажности;
давления.

В подробной документации указывают напряжение пробоя.

Индуктивность (собственная) изменяет напряженность поля конденсатора. Эта реактивная составляющая «помогает» изделию разрядиться быстрее или медленнее, по сравнению с расчетной скоростью процесса. Подобные паразитные воздействия искажают рабочие характеристики колебательного контура. Их надо учитывать при проектировании частотно зависимых цепей.

Потери оценивают по электрическому сопротивлению изоляционных слоев. Если соответствующим образом подключить мультиметр, можно уточнить действительный ток утечки. Этот параметр измеряют на протяжении определенного времени. Следует запомнить, что сопротивление зависит от температуры и влажности.

К сведению. Слюдяные конденсаторы будут разряжаться медленнее, по сравнению с бумажными в равных условиях, так как токи утечки отличаются на порядок.

Для комплексного сравнения разных деталей этой категории проверяют стабильность. Этот показатель характеризует постоянство рабочих параметров. Как правило, учитывают влияние температуры. Специализированный коэффициент (ТКЕ) показывает соответствующие изменения при увеличении (снижении) на 1°С.

Как разрядить конденсатор, чтобы минимизировать остаточное напряжение? Ответ на этот вопрос поможет получить изучение абсорбционных процессов в диэлектрическом слое. Соответствующие параметры характеризуют поправочным коэффициентом (Ка). Он увеличивается вместе с повышением температуры.

Сокращенные обозначения

В стандартном исполнении выпускают постоянные (К) и подстроечные (КТ) конденсаторы. Переменные (КП) создают по индивидуальным заказам. Ниже приведены отдельные параметры по ГОСТу 13 453-68.

Материал диэлектрика:

Б – бумага;
МП – комбинация металла/ пленки;
С – слюда;
Э – электролит;
К – керамика.

По степени защиты от внешних воздействий различают герметичное (Г) исполнение и опрессованный корпус (О).

Конструкция:

М – монолит;
Б – бочонок;
Д – диск;
С – секционный вариант.

Рабочий режим (по току):

И – импульсный;
У – универсальный (импульсный, постоянный и переменный);
Ч – только постоянный;
П – переменный/постоянный.

Иные особенности:

У – конденсатор, рассчитанный на работу в диапазоне УКВ;
М – компактные габариты;
Т – обеспечивается сохранение технических параметров при повышении температуры;
В – изделие приспособлено для установки в сетях с высоким напряжением.

В стандартном обозначении указывают (по номеру позиции):

вид конденсатора (К, КТ или КП);
код по диэлектрику и основным параметрам (К10 керамика для напряжения до 1600 V);
рабочий режим по току;
производственная серия или другое технологическое обозначение.

Дополнительные сведения:

Выбирать изделия можно по комбинированной (цифровой и буквенной), цветовой маркировке;
На компактный корпус наносят сокращения (вместо 1000мкФ – 1000m);
Класс точности обозначают латинским шрифтом (U – это ±);
Аналогичным образом кодируют номинальное напряжение (Q-160V).

Как подобрать конденсатор

Для лучшего понимания алгоритма правильных действий можно изучить процесс выбора конденсатора при подключении электродвигателя к разным источникам питания. Если применяется трехфазная сеть, подойдет формула емкости:

где:

к – фиксированный коэффициент, равный 2 800/ 4 800 для схемы «звезда»/ «треугольник», соответственно;
Iф – ток в цепи статора, который производители указывают на шильдике либо в сопроводительной документации;
U – напряжение питания.

В упрощенном варианте специалисты берут 6-7мкФ на каждые 0,1 кВт потребляемой мощности. При значительных механических нагрузках обмотка может сгореть. Мягкий запуск электрического двигателя обеспечивает дополнительный конденсатор. Он выполняет свои функции в течении 2-5 секунд. Емкость выбирают в 2,5-3,5 больше результата предыдущего расчета. Номинальное напряжение – на 50-70% выше рабочих параметров сети питания.

Асинхронный двигатель подключают к однофазному источнику. В этом варианте необходимо создать сдвиг фазы для начала вращения ротора. Пуск обеспечивает отдельная обмотка. В эту цепь устанавливают специальный конденсатор. Для упрощенной схемы выбора берут 8-12 мкФ на каждые 0,1 кВт потребляемой мощности.

К сведению. Чтобы исключить перегрев и повреждение деталей, рекомендуется подключение индуктивных нагрузок такого типа через конденсаторы, рассчитанные на рабочее напряжение не менее 450 V.

Расчет гасящего конденсатора для подключения светодиодной ленты можно сделать по формуле:

где:

I – ток в цепи;
Uп (Uд) – напряжение источника питания (падение на диодах), соответственно.

Можно ли поставить конденсатор большей емкости

Точный ответ на поднятый в этом разделе вопрос можно дать после изучения конкретной схемы. Если надо выбрать деталь для фильтра (колебательного контура), необходимы аналогичные параметры. В противном случае частотные характеристики не будут соответствовать конструкторскому замыслу.

При сглаживании пульсаций в блоке питания подобная модернизация взамен штатного изделия может быть эффективной. В некоторых случаях, чтобы ограничить ток в цепи, придется подбирать подходящий резистор. Через него можно будет разряжать конденсатор без повреждений. Итоговое решение принимают с учетом рассмотренных выше факторов. Существенное значение имеют условия эксплуатации, тепловые и механические нагрузки. Разумное увеличение затрат на этапе приобретения надежных комплектующих продлит срок службы функционального устройства.