Kondenzatori: svrha, uređaj, princip rada

U svim radio i elektroničkim uređajima, osim tranzistora i mikrocikruta, koriste se kondenzatori. U nekim je krugovima njih više, u drugim manje, ali elektroničkih sklopova bez kondenzatora praktično nema.

U ovom slučaju kondenzatori mogu obavljati različite zadatke na uređajima. Prije svega, to su spremnici u filtrima ispravljača i stabilizatora. Pomoću kondenzatora prenosi se signal između faza pojačanja, grade se filteri niske i visoke frekvencije, postavljaju se vremenski intervali u vremenskim kašnjenjima, a odabire se frekvencija oscilacija u različitim generatorima.

Kondenzatori vode od leiden bankekoji je sredinom 18. stoljeća u svojim eksperimentima koristio nizozemski znanstvenik Peter van Mushenbrook. Živio je u gradu Leiden, pa je lako pogoditi zašto se ta banka zvala.

Zapravo, to je bila obična staklena posuda, iznutra i izvana obložena limenom folijom - staniol. Korišten je u iste svrhe kao i moderni aluminij, ali tada aluminij još nije bio otvoren.

Jedini izvor električne energije u one dane bio je uređaj za elektrofore, sposoban za razvoj napona do nekoliko stotina kilovolta. Upravo su od nje naplatili Leydenovu teglu. U udžbenicima fizike opisan je slučaj kada je Mushenbrook izbacio svoju limenku kroz lanac od deset čuvara koji su se držali za ruke.

U to vrijeme nitko nije znao da posljedice mogu biti tragične. Udarac se pokazao prilično osjetljivim, ali ne i kobno. Do toga nije došlo, jer je kapacitet Leydenove staklenke bio beznačajan, impuls se pokazao vrlo kratkotrajnim, tako da je snaga pražnjenja bila mala.

Kako je kondenzator

Uređaj kondenzatora praktički se ne razlikuje od staklenke Leyden: sve iste dvije ploče, razdvojene dielektrikom. Tako su prikazani kondenzatori na modernim električnim krugovima. Na slici 1 prikazana je shematska struktura ravnog kondenzatora i formula za njegovo izračunavanje.

Slika 1. Uređaj s ravnim kondenzatorom

Ovdje je S površina ploče u kvadratnim metrima, d udaljenost između ploča u metrima, C je kapacitet farada, ε je dielektrična konstanta medija. Sve vrijednosti uključene u formulu naznačene su u SI sustavu. Ova formula vrijedi za najjednostavniji ravni kondenzator: jednostavno možete postaviti dvije metalne ploče pokraj njih, iz kojih se izvode zaključci. Zrak može poslužiti kao dielektric.

Iz ove formule se može razumjeti da je kondenzator veći, što je veća površina ploča i manja je udaljenost između njih. Za kondenzatore s drugom geometrijom formula može biti različita, na primjer, za kapacitivnost jednog vodiča ili električni kabel, Ali ovisnost kapacitivnosti o površini ploča i udaljenosti između njih ista je kao i na ravnom kondenzatoru: što je veće područje i što je manja udaljenost, to je veća kapacitivnost.

Zapravo, ploče nisu uvijek ravne. Kod mnogih kondenzatora, na primjer, metala, ploče su aluminijska folija valjana zajedno s papirnatim dielektrikom u uskoj kuglici u obliku metalnog kućišta.

Da bi se povećala električna snaga, papir tankog kondenzatora impregniran je izolacijskim sastavima, najčešće transformatorskim uljem. Ovaj dizajn omogućuje vam izradu kondenzatora kapaciteta do nekoliko stotina mikrofaradi. Kondenzatori s drugim dielektricima slični su raspored.

Formula ne sadrži nikakva ograničenja na površinu ploča S i na udaljenost između ploča d.Ako pretpostavimo da se ploče mogu jako raširiti i istovremeno učiniti površinu ploča vrlo malim, tada će neki kapacitet, iako mali, ipak ostati. Ovo obrazloženje sugerira da čak i samo dva vodiča koja se nalaze u susjedstvu imaju električni kapacitet.

Ova se okolnost široko koristi u tehnologiji visokih frekvencija: u nekim slučajevima kondenzatori se izrađuju jednostavno u obliku staza s tiskanim krugovima ili čak samo dvije žice upletene u polietilensku izolaciju. Obični rezanci od žice ili kabela također imaju kapacitet, a s povećanjem duljine povećavaju se.

Uz kapacitivnost C, bilo koji kabel također ima otpor R. Oba ova fizička svojstva raspoređuju se duž duljine kabela, a prilikom prijenosa impulzivnih signala djeluju kao integrirajući RC - lanac, prikazan na slici 2.

Slika 2

Na slici je sve jednostavno: ovdje je sklop, ovdje je ulazni signal, ali ovdje je na izlazu. Impuls se iskrivljuje izvan prepoznavanja, ali to se vrši namjerno, zbog čega je sklop sklopljen. U međuvremenu, govorimo o utjecaju kapaciteta kabela na impulsni signal. Umjesto impulsa, takvo "zvono" pojavit će se na drugom kraju kabela, a ako je impuls kratak, onda uopće neće doseći drugi kraj kabela, on će potpuno nestati.

Povijesna činjenica

Ovdje je sasvim prikladno prisjetiti se priče o tome kako je položen transatlantski kabel. Prvi pokušaj 1857. nije uspio: telegrafske točke - crtice (pravokutni impulsi) bile su izobličene tako da se na drugom kraju pruge od 4000 km ništa nije moglo rastaviti.

Drugi pokušaj izvršen je 1865. Do tog trenutka engleski fizičar W. Thompson razvio je teoriju prijenosa podataka na duge pruge. U svjetlu ove teorije, kabelska usmjeravanje pokazala se uspješnijom i mogli smo primati signale.

Za ovaj znanstveni podvig kraljica Viktorija dodijelila je znanstveniku viteštvo i titulu lorda Kelvina. Tako je bilo ime po malom gradu na obali Irske, gdje je započelo polaganje kabela. Ali ovo je samo riječ i sada se vraćamo na posljednje slovo u formuli, naime na dielektričnu konstantu medija ε.

Malo o dielektricima

To je ε u nazivniku formule, pa će njegovo povećanje dovesti do povećanja kapaciteta. Za većinu korištenih dielektrika, poput zraka, lavsana, polietilena, fluoroplastike, ta konstanta gotovo je ista kao i kod vakuuma. Ali istodobno, postoji mnogo tvari čija je dielektrična konstanta puno veća. Ako je kondenzator zraka napunjen acetonom ili alkoholom, tada će se njegov kapacitet povećavati svakih 15 ... 20.

Ali takve tvari, osim visoke ε, imaju i dovoljno visoku vodljivost, pa takav kondenzator neće dobro držati naboj, brzo će se isprazniti kroz sebe. Taj štetni fenomen naziva se struja curenja. Zbog toga se razvijaju posebni materijali za dielektrike koji s velikom specifičnom zapreminom kondenzatora pružaju prihvatljive struje istjecanja. To objašnjava raznolikost tipova i tipova kondenzatora, od kojih je svaki dizajniran za specifične uvjete.

Elektrolitički kondenzator

Najveći specifični kapacitet (omjer kapaciteta / volumena) elektrolitički kondenzatori, Kapacitet "elektrolita" doseže i do 100 000 mikrofaradi, a radni napon do 600 V. Takvi kondenzatori dobro rade samo na niskim frekvencijama, najčešće u filterima napajanja. Elektrolitički kondenzatori su uključeni u polaritetu.

Elektrode u takvim kondenzatorima tanki su film metalnog oksida, pa se često ovi kondenzatori nazivaju oksidom. Tanki sloj zraka između takvih elektroda nije vrlo pouzdan izolator, stoga se između oksidnih ploča uvodi sloj elektrolita. Najčešće su to koncentrirane otopine kiselina ili alkalija.

Na slici 3 prikazan je jedan od tih kondenzatora.

Slika 3. Elektrolitički kondenzator

Da bi se procijenila veličina kondenzatora, pokraj nje je fotografiran jednostavan meč za šibicu. Pored dovoljno velikog kapaciteta na slici, možete vidjeti i postotnu toleranciju: ne manje od 70% nazivne vrijednosti.

U onim danima kada su računala bila velika i zvala su se računala, takvi su kondenzatori bili u pogonima (u modernom HDD-u). Informativni kapacitet takvih pogona sada može izazvati samo osmijeh: 5 megabajta podataka pohranjeno je na dva diska promjera 350 mm, a sam uređaj težio je 54 kg.

Glavna svrha superkondenzatora prikazanih na slici bilo je povlačenje magnetskih glava iz radnog područja diska tijekom naglog prekida napajanja. Takvi kondenzatori mogli su skladištiti naboj nekoliko godina, a što je testirano u praksi.

Malo niže s elektrolitičkim kondenzatorima ponudit će se napraviti jednostavne eksperimente kako bi se razumjelo što kondenzator može učiniti.

Za rad u izmjeničnim krugovima proizvode se nepolarni elektrolitički kondenzatori, samo je njihovo dobivanje iz nekog razloga vrlo teško. Da bi se nekako zaobišao ovaj problem, obični polarni „elektroliti“ uključuju kontraksekvencijal: plus-minus-minus-plus.

Ako je polarni elektrolitički kondenzator uključen u krug izmjenične struje, tada će se najprije zagrijati, a zatim će se čuti eksplozija. Stari domaći kondenzatori raspršeni su u svim smjerovima, dok uvezeni imaju poseban uređaj koji izbjegava glasne pucnje. To je obično ili poprečni zarez na dnu kondenzatora ili rupa s gumenim čepom koji se nalazi na istom mjestu.

Ne vole elektrolitičke kondenzatore povećanog napona, čak i ako se promatra polaritet. Stoga nikada ne smijete stavljati "elektrolite" u krug u kojem se očekuje napon koji je blizu maksimalnog za određeni kondenzator.

Ponekad na nekim, čak uglednim forumima, početnici postavljaju pitanje: "Kondenzator 470 µF * 16V je naveden u krugu, a ja imam 470 µF * 50V, mogu li ga staviti?" Da, naravno da možete, ali obrnuta zamjena je neprihvatljiva.

Kondenzator može pohraniti energiju

Da biste se pozabavili ovom tvrdnjom, pomoći će vam jednostavan dijagram prikazan na slici 4.

Slika 4. Krug s kondenzatorom

Glavni akter ovog kruga je elektrolitički kondenzator C dovoljno velikog kapaciteta, tako da se procesi punjenja naboja odvijaju sporo, pa čak i vrlo jasno. To omogućuje vizualno promatranje rada kruga pomoću uobičajene svjetlosti svjetiljke. Ova svjetla odavno su ustupila mjesto modernim LED-ima, ali žarulje za njih još se prodaju. Stoga je vrlo lako sastaviti krug i provesti jednostavne eksperimente.

Možda će netko reći: „Zašto? Uostalom, sve je očito, pa čak i ako pročitate opis ... " Čini se da se ovdje nema što raspravljati, ali bilo koja, čak i najjednostavnija stvar, dugo ostaje u glavi ako bi njezino razumijevanje prošlo kroz ruke.

Dakle, sklop je sastavljen. Kako ona radi?

U položaju sklopke SA, prikazanom na dijagramu, kondenzator C se puni iz izvora napajanja GB kroz otpornik R u krugu: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. Struja punjenja u dijagramu prikazana je strelicom s indeksom iz. Postupak punjenja kondenzatora prikazan je na slici 5.

Slika 5. Postupak punjenja kondenzatora

Na slici je vidljivo da se napon na kondenzatoru povećava duž krivulje, u matematici koja se naziva eksponent. Struja naboja izravno ogleda napon naboja. Kako napon preko kondenzatora raste, struja naboja postaje sve manja. I samo u početnom trenutku odgovara formuli prikazanoj na slici.

Nakon nekog vremena kondenzator će se napuniti od 0V do napona izvora napajanja, u našem krugu do 4,5V. Čitavo pitanje je kako je vrijeme odrediti koliko dugo čekati, kada će se kondenzator napuniti?

Vremenska konstanta Tau τ = R * C

U ovoj se formuli otpor i kapacitivnost serijski spojenih otpornika i kondenzatora jednostavno množe.Ako bez zanemarivanja sustava SI zamijenite otpor u Ohma, kapacitivnost u Faradsu, rezultat će biti u sekundi. Ovo je vrijeme koje je potrebno da kondenzator napuni do 36,8% napona izvora energije. U skladu s tim, za naplatu od gotovo 100% trebat će vrijeme od 5 * τ.

Često se zanemaruje SI sustav, otpor u Ohma zamjenjuje se u formuli, a kapacitivnost je u mikrofaradama, tada će se vrijeme ispasti u mikrosekundama. U našem je slučaju povoljnije postići rezultat u sekundi, za što morate jednostavno pomnožiti mikrosekunde s milijun ili, jednostavnije rečeno, pomaknuti zarez sa šest znakova ulijevo.

Za krug prikazan na slici 4, s kondenzatorom od 2000 µF i otporom otpora 500 Ω, vremenska konstanta će biti τ = R * C = 500 * 2000 = 1.000.000 mikrosekundi ili točno jedna sekunda. Stoga ćete morati pričekati oko 5 sekundi dok se kondenzator potpuno ne napuni.

Ako se nakon određenog vremena prekidač SA okrene u pravilan položaj, tada se kondenzator C ispušta kroz EL žarulju. U ovom će se trenutku pojaviti kratki bljesak, kondenzator će se isprazniti i svjetlost će se ugasiti. Smjer pražnjenja kondenzatora prikazan je strelicom s indeksom ip. Vrijeme pražnjenja je također određeno vremenskom konstantom τ. Graf pražnjenja prikazan je na slici 6.

Slika 6. Grafikon pražnjenja kondenzatora

Kondenzator ne prolazi istosmjerna struja

Za provjeru ove izjave pomoći će još jednostavnija shema, prikazana na slici 7.

Slika 7. Krug s kondenzatorom u istosmjernom krugu

Ako zatvorite prekidač SA, uslijedit će kratki bljesak žarulje, koji pokazuje da se kondenzator C napuni kroz žarulju. Grafikon naboja također je prikazan ovdje: u trenutku kad se prekidač zatvori, struja je maksimalna, kako se kondenzator napuni, smanjuje se i nakon nekog vremena potpuno se zaustavlja.

Ako je kondenzator dobre kvalitete, tj. s malom strujom curenja (samopražnjenje), opetovano zatvaranje prekidača neće dovesti do bljeska. Da bi dobili još jedan bljesak, kondenzator će se morati isprazniti.

Kondenzator u filtrima za napajanje

Kondenzator se obično postavlja nakon ispravljača. Najčešće se ispravljači izrađuju polu-valovi. Najčešći ispravljački krugovi prikazani su na slici 8.

Slika 8. krugovi ispravljača

Polvučni ispravljači se također koriste prilično često, u pravilu, u slučajevima kada je snaga opterećenja beznačajna. Najvrjednija kvaliteta takvih ispravljača je jednostavnost: namotavanje samo jedne diode i transformatora.

Za poluvalni ispravljač, kapacitet filtrijskog kondenzatora može se izračunati formulom

C = 1.000.000 * Po / 2 * U * f * dU, gdje je C kondenzator μF, Po je snaga opterećenja W, U je napon na izlazu ispravljača V, f je frekvencija izmjeničnog napona Hz, dU je amplituda valovitog napona V.

Veliki broj u brojaču od 1.000.000 pretvara kapacitet kondenzatora iz sustava Farads u mikrofarades. Dva u nazivniku predstavljaju broj polu-perioda ispravljača: za pola vala na njegovom mjestu pojavit će se jedinica

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

a za trofazni ispravljač formula će dobiti oblik C = 1,000,000 * Po / 3 * U * f * dU.

Superkapacitor - Ionistor

Nedavno je nova klasa elektrolitskih kondenzatora, tzv ionistor, Po svojim svojstvima sličan je bateriji, međutim, s nekoliko ograničenja.

Ionistor se u kratkom vremenu, doslovno u nekoliko minuta, napuni do nazivnog napona, pa je preporučljivo koristiti ga kao rezervni izvor napajanja. U stvari, ionistor je nepolarni uređaj, jedino što određuje njegov polaritet je punjenje u tvornici. Da se ovaj polaritet ne bi zbunio u budućnosti, to se označava znakom +.

Važnu ulogu igraju radni uvjeti ionistara. Pri temperaturi od 70 ° C na naponu od 0,8 nominalne zajamčene trajnosti ne više od 500 sati.Ako će uređaj raditi na naponu od 0,6 od nazivne, a temperatura ne prelazi 40 stupnjeva, tada je pravilan rad moguć 40 000 sati ili više.

Najčešći programi ionista su rezervni izvori napajanja. To su uglavnom memorijski čipovi ili elektronski satovi. U ovom slučaju, glavni parametar ionistora je mala struja propuštanja, njegovo samopražnjenje.

Prilično obećavajuća je uporaba ionistara u kombinaciji sa solarnim pločama. Također utječe na nekritičnost stanja naboja i gotovo neograničen broj ciklusa punjenja i pražnjenja. Još jedno vrijedno svojstvo je da je ionistor bez održavanja.

Do sada se pokazalo kako i gdje rade elektrolitički kondenzatori, i to uglavnom u istosmjernim krugovima. Rad kondenzatora u izmjeničnim krugovima bit će opisan u drugom članku - Kondenzatori za izmjenične struje.

Boris Aladyskin 

P.s. Zanimljiv slučaj uporabe kondenzatora: kondenzatorsko zavarivanje