Конденсатор — это один из пассивных компонентов типа резистора. Конденсатор обычно используется для хранения заряда, который хранится в виде «электрического поля». Конденсаторы играют важную роль во многих электрических и электронных схемах.
Обычно конденсатор имеет две параллельные металлические пластины, не соединенные друг с другом. Две пластины в конденсаторе разделены непроводящей средой (изолирующей средой), которую называют диэлектриком.
Конденсаторы бывают различных типов и форм, от очень маленьких конденсаторов, использующихся в резонансных цепях, до больших конденсаторов, которые служат для стабилизации линий постоянного тока высокого напряжения. Но все конденсаторы выполняют одну и ту же задачу — накапливают электрический заряд.
Формы конденсаторов: прямоугольная, квадратная, круглая, цилиндрическая или сферическая. В отличие от резистора, конденсатор не рассеивает энергию. Поскольку существуют разные типы конденсаторов, для их обозначения используются разные символы, которые показаны ниже:
Чем важны конденсаторы
Конденсаторы обладают свойствами, такими как:
- Они могут накапливать энергию, а также рассеивать эту энергию в цепи, если это потребуется.
- Они могут блокировать постоянный ток и пропускать через него переменный ток, и это может связывать одну часть цепи с другой.
- Цепи с конденсаторами зависят от частоты, поэтому могут использоваться для усиления определенных частот.
- Поскольку конденсаторы подключены ко входу переменного тока, ток опережает напряжение и, таким образом, в силовых схемах он увеличивает мощность полезной нагрузки и делает ее более экономичной.
- Они пропускают высокие частоты и поэтому может использоваться в качестве фильтров либо для фильтрации низких частот, либо высоких частот.
- Поскольку реактивное сопротивление и частота конденсатора обратно пропорциональны, то его можно использовать для увеличения или уменьшения импеданса цепи на определенной частоте и в качестве фильтра.
Точно так же конденсаторы проявляют множество свойств при использовании в цепях переменного или постоянного тока, и, следовательно, они играют важную роль в электрических и электронных цепях.
Конструкция конденсатора
Как было сказано ранее, существуют разные типы конденсаторов. Эти разные типы будут иметь разный тип конструкции. Конденсатор с параллельными пластинами — это самый простой конденсатор. И давайте узнаем, как устроен этот конденсатор.
Этот конденсатор состоит из двух металлических пластин, между которыми есть определенное пространство, которое заполнено диэлектрическим материалом. Два вывода (ножки) конденсатора выходят из этих двух пластин.
Емкость конденсатора зависит от расстояния между пластинами и площади пластин. Значение этой емкости можно изменить, исходя из параметров конденсатора.
Диэлектрик конденсатора
Диэлектрик действует как изолирующий материал между пластинами. Диэлектриком может быть любой непроводящий материал, такой как керамика, вощеная бумага, слюда, пластик или жидкий гель в какой-либо форме.
Диэлектрик также играет важную роль при определении значения емкости. По мере того, как диэлектрик вводится между пластинами конденсатора, его емкость увеличивается.
Различные диэлектрические материалы будут иметь разные диэлектрические проницаемости, однако это значение > 1.
В таблице ниже приведены значения диэлектрической проницаемости для каждого диэлектрического материала.
Диэлектрик бывает двух типов:
- Полярные диэлектрики: эти диэлектрики будут иметь постоянное диэлектрическое движение.
- Неполярные диэлектрики: у них будет временный диэлектрический момент. Поместив их в электрическое поле, они могут быть индуцированы дипольными моментами.
Комплексная проницаемость
Произведение относительной диэлектрической проницаемости (εr) диэлектрического материала на диэлектрическую проницаемость свободного пространства (εo) называется комплексная диэлектрическая проницаемость или фактическая диэлектрическая проницаемость диэлектрического материала. Выражение для комплексной диэлектрической проницаемости имеет следующий вид:
ε = ε0 * εr
Значение комплексной диэлектрической проницаемости всегда будет равно относительной диэлектрической проницаемости, потому что диэлектрическая проницаемость свободного пространства равна «единице». Значение диэлектрической постоянной или комплексной диэлектрической проницаемости переходит от одного диэлектрического материала к другому.
Некоторые стандартные значения комплексной диэлектрической проницаемости (ε) для обычных диэлектрических материалов: воздух = 1.0005, чистый вакуум = 1.0000, слюда = от 5 до 7, бумага = от 2,5 до 3,5, дерево = от 3 до 8, стекло = от 3 до 10 и порошки оксидов металлов от 6 до 20 и т.д.
Конденсаторы можно классифицировать по свойствам и характеристикам их изоляционного или диэлектрического материала, они представлены ниже:
- Конденсаторы с высокой стабильностью и малыми потерями — примерами для этого типа являются конденсаторы из слюды, керамики с низкими потерями и полистирола.
- Конденсаторы со средней стабильностью и средними потерями — бумажные, пластмассовые и керамические конденсаторы с высокими потерями являются примерами этого типа.
- Поляризованные конденсаторы — примером этого типа конденсаторов являются электролитические, танталовые.
Работа конденсатора
Как было сказано ранее, конденсатор состоит из двух проводников, разделенных диэлектриком, при наличии разницы потенциалов между двумя проводниками возникает электрический потенциал, что вызывает заряд и разряд конденсатора.
Давайте разберемся в этом на практике. Когда конденсатор подключен к батарейке (источнику постоянного тока), через цепь начинает течь ток.
Таким образом, отрицательный заряд накапливается на одной пластине, а положительный заряд накапливается на другой пластине. Этот процесс продолжается до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не достигнет напряжения питания.
Когда напряжение зарядки конденсатора равно напряжению питания, конденсатор перестает заряжаться, даже если аккумулятор подключен. Когда батарейка отключена, на двух пластинах накапливаются положительный и отрицательный заряды. Таким образом, заряд в конденсаторе сохраняется.
Но когда напряжение питания поступает от источника переменного тока, он заряжается и разряжается непрерывно. Скорость заряда и разряда зависит от источника питания.
Пример
Работу конденсатора можно понять на простом примере. На схеме ниже показаны два переключателя A и B. Когда переключатель 1 замкнут, ток начинает течь от батарейки к конденсатору. Когда напряжение конденсатора достигает напряжения питания, дальнейшая зарядка прекращается.
Теперь переведем переключатель в положение B. Здесь вы можете наблюдать, как светодиод начинает светиться, но потом медленно гаснет по мере разряда конденсатора.
Емкость конденсатора определяется выражением:
C = KεA / d
или
C = εA / 4πd
или
C = εo * εr (A / d)
Где,
C — Емкость конденсатора
A — Площадь между пластинами
d — Расстояние между двумя пластинами
εo — Проницаемость свободного пространства
εr — Относительная диэлектрическая проницаемость.
K— диэлектрическая проницаемость
Емкость конденсатора
Емкость — это свойство конденсатора, которое определяет максимальное количество хранимого в нем электрического заряда.
Емкость может варьироваться в зависимости от формы конденсатора. Емкость конденсатора можно рассчитать, используя геометрию проводников и свойства диэлектрического материала. Давайте посмотрим на емкость конденсатора с параллельными пластинами.
Емкость определяется как отношение заряда (Q) на обеих пластинах к разности потенциалов (V) между ними,
С = Q / V
Таким образом, ток можно выразить как:
I (t) = C [d (v) / d (t)]
Это можно выразить выражением Фарада (F), которое названо в честь английского физика Майкла Фарадея.
Из приведенного выше определения мы можем заметить, что емкость прямо пропорциональна заряду (Q) и обратно пропорциональна напряжению (V).
Емкость конденсатора может быть увеличена за счет увеличения количества пластин. Здесь площадь пластин увеличена.
Стандартные единицы емкости
Как правило, фарады — это высокое значение, поэтому емкость выражается в единицах измерения конденсатора в реальном времени, таких как микрофарады (мкФ), нанофарады (нФ) и пикофарады (пф).
Большинство электрических и электронных схем охвачены следующими префиксами стандартных единиц (СИ) для упрощения расчетов:
- 1 мФ (миллифарад) = 10−3 Ф = 1000 мкФ = 1000000 нФ
- 1 мкФ (микрофарад) = 10-6 Ф = 1000 нФ = 1000000 пФ
- 1 нФ (нанофарад) = 10-9 Ф = 1000 пФ
- 1 пФ (пикофарад) = 10-12 Ф
Чтобы преобразовать мкФ в нФ или пФ или в широкий диапазон других единиц и наоборот, нам необходимо использовать преобразователь единиц электрической емкости.
Номинальное напряжение конденсатора
Номинальное напряжение конденсатора — это не напряжение, до которого конденсатор заряжается, а максимальное напряжение, до которого конденсатор может безопасно работать. Это напряжение называется рабочим напряжением (WV) или рабочим напряжением постоянного тока (DC-WV). На рисунке ниже показано номинальное напряжение конденсатора:
Если на конденсатор подается напряжение, превышающее это напряжение, он может быть поврежден из-за образования дуги между пластинами и, позже, пробоя диэлектрика.
При проектировании цепей с конденсаторами следует позаботиться о том, чтобы номинальное напряжение конденсатора было больше, чем напряжение, используемое в цепи. Например, если рабочее напряжение цепи составляет 12 В, необходимо выбрать конденсатор с номинальным напряжением 12 В или выше.
Это рабочее напряжение конденсатора зависит от таких факторов, как: диэлектрический материал, используемый между пластинами конденсатора, толщины диэлектрика, а также от типа используемой цепи.
С Уважением, МониторБанк