Kondensatoriai: paskirtis, įtaisas, veikimo principas

Visuose radijo ir elektroniniuose įrenginiuose, išskyrus tranzistorius ir mikro grandines, naudojami kondensatoriai. Kai kuriose grandinėse jų yra daugiau, kitose mažiau, tačiau elektroninių grandinių be kondensatorių praktiškai nėra.

Tokiu atveju kondensatoriai gali atlikti įvairias užduotis įrenginiuose. Visų pirma, tai yra konteineriai lygintuvų ir stabilizatorių filtruose. Kondensatorių pagalba signalas perduodamas tarp stiprintuvo pakopų, statomi žemo ir aukšto dažnio filtrai, nustatomi laiko intervalai pagal vėlavimą, parenkamas virpesių dažnis įvairiuose generatoriuose.

Kondensatoriai veda iš leiden bankaikurį XVIII amžiaus viduryje savo eksperimentuose panaudojo olandų mokslininkas Peteris van Mushenbrookas. Jis gyveno Leideno mieste, todėl nesunku atspėti, kodėl šis bankas buvo vadinamas.

Tiesą sakant, tai buvo paprastas stiklinis indas, iš vidaus ir išorės išklotas alavo folija - stanioliu. Jis buvo naudojamas tais pačiais tikslais kaip ir modernus aliuminis, tačiau tada aliuminis dar nebuvo atidarytas.

Vienintelis elektros energijos šaltinis tais laikais buvo elektroforo mašina, galinti išvystyti iki kelių šimtų kilovoltų įtampą. Būtent iš jos jie pakrovė Leydeno stiklainį. Fizikos vadovėliuose aprašytas atvejis, kai Mushenbrookas išleido skardinę per dešimt sargybinių, laikančių ranką, grandinę.

Tuo metu niekas nežinojo, kad pasekmės gali būti tragiškos. Smūgis pasirodė gana jautrus, bet ne mirtinas. Taip nebuvo, nes Leydeno stiklainio talpa buvo nereikšminga, impulsas pasirodė labai trumpalaikis, todėl iškrovimo galia buvo nedidelė.

Kaip yra kondensatorius

Kondensatoriaus įtaisas praktiškai nesiskiria nuo Leydeno stiklainio: visos tos pačios dvi plokštės, atskirtos dielektriku. Taip kondensatoriai vaizduojami šiuolaikinėse elektros grandinėse. 1 paveiksle parodyta plokščio kondensatoriaus schema ir jos apskaičiavimo formulė.

1 pav. Plokščio kondensatoriaus įtaisas

Čia S yra plokštės plotas kvadratiniais metrais, d yra atstumas tarp plokščių metrais, C yra talpa faradais, ε yra terpės dielektrinė konstanta. Visos reikšmės, įtrauktos į formulę, nurodomos SI sistemoje. Ši formulė galioja paprasčiausiam plokščiam kondensatoriui: šalia jų galite tiesiog pastatyti dvi metalines plokšteles, iš kurių daromos išvados. Oras gali tarnauti kaip dielektrikas.

Iš šios formulės galima suprasti, kad kuo didesnė kondensatoriaus talpa, tuo didesnis plokštelių plotas ir tuo mažesnis atstumas tarp jų. Kondensatoriams, kurių geometrija skiriasi, formulė gali būti skirtinga, pvz., Vieno laidininko arba elektros laidas. Bet talpos priklausomybė nuo plokštelių ploto ir atstumo tarp jų yra tokia pati kaip plokščiojo kondensatoriaus: kuo didesnis plotas ir kuo mažesnis atstumas, tuo didesnė talpa.

Tiesą sakant, plokštės ne visada yra plokščios. Daugelio kondensatorių, pavyzdžiui, popieriaus, plokštės yra aliuminio folijos, suvyniotos kartu su popieriaus dielektriku sandariame rutulyje, metalinio korpuso formos.

Elektriniam stiprumui padidinti plonas kondensatorinis popierius yra įmirkytas izoliacinėmis kompozicijomis, dažniausiai transformatoriaus alyva. Ši konstrukcija leidžia jums pagaminti kondensatorius, kurių talpa iki kelių šimtų mikrofaradų. Panašiai išdėstyti kondensatoriai su kitais dielektrikais.

Formulėje nėra jokių apribojimų plokštelių S plotui ir atstumui tarp plokštelių d.Jei darysime prielaidą, kad plokštelės gali būti išplatintos labai toli, ir tuo pačiu padaryti plokštelių plotą gana nereikšmingą, vis tiek išliks tam tikra talpa, nors ir nedidelė. Šie samprotavimai rodo, kad net du kaimynystėje esantys laidininkai turi elektrinę talpą.

Ši aplinkybė yra plačiai naudojama aukšto dažnio technologijoje: kai kuriais atvejais kondensatoriai yra gaminami tiesiog spausdintinių schemų pavidalu arba net dviejų laidų, susuktų į polietileno izoliaciją, pavidalu. Įprasti vieliniai makaronai ar kabelis taip pat turi talpą, o ilgėjant jų ilgis didėja.

Be talpos C, bet kuris kabelis taip pat turi varžą R. Abi šios fizinės savybės yra paskirstomos per visą laido ilgį, o perduodant impulsinius signalus jos veikia kaip integruota RC grandinė, parodyta 2 paveiksle.

2 pav

Paveiksle viskas paprasta: čia yra grandinė, čia yra įvesties signalas, bet čia jis yra prie išvesties. Impulsas yra iškreiptas neatpažįstamai, tačiau tai daroma tikslingai, tam grandinė yra surenkama. Tuo tarpu mes kalbame apie kabelio talpos įtaką impulsų signalui. Vietoj impulso toks „varpas“ pasirodys kitame laido gale, o jei impulsas yra trumpas, jis gali visai nepasiekti kito laido galo, jis visai išnyks.

Istorinis faktas

Čia visai tikslinga prisiminti istoriją, kaip buvo nutiestas transatlantinis kabelis. Pirmasis bandymas 1857 m. Nepavyko: telegrafo taškai - brūkšneliai (stačiakampiai impulsai) buvo iškraipyti, kad kitame 4000 km linijos gale nieko nebuvo galima išardyti.

Antras bandymas buvo padarytas 1865 m. Iki to laiko anglų fizikas W. Thompsonas buvo sukūręs duomenų perdavimo ilgomis linijomis teoriją. Atsižvelgiant į šią teoriją, kabelio maršrutas pasirodė esąs sėkmingesnis ir mes sugebėjome priimti signalus.

Už šį mokslinį žygdarbį karalienė Viktorija mokslininkui suteikė riterio laipsnį ir lordo Kelvino vardą. Tai buvo mažo miesto, esančio Airijos pakrantėje, kuriame prasidėjo kabelių tiesimas, vardas. Bet tai tik žodis, ir dabar grįžtame prie paskutinės formulės raidės, būtent prie terpės dielektrinės konstantos ε.

Šiek tiek apie dielektrikus

Šis ε yra formulės vardiklyje, todėl jo padidėjimas padidins talpą. Daugeliui naudojamų dielektrikų, tokių kaip oras, lavsanas, polietilenas, fluoroplastika, ši konstanta yra beveik tokia pati kaip vakuume. Bet tuo pačiu metu yra daug medžiagų, kurių dielektrinė konstanta yra daug didesnė. Jei oro kondensatorius užpildytas acetonu ar alkoholiu, jo talpa padidės kas 15 ... 20.

Tačiau tokios medžiagos, be didelio ε, taip pat turi pakankamai aukštą laidumą, todėl toks kondensatorius gerai neišlaikys krūvio, greitai išsikrauna pats. Šis kenksmingas reiškinys vadinamas nuotėkio srove. Todėl dielektrikui yra kuriamos specialios medžiagos, turinčios didelę savitąją kondensatorių talpą, užtikrinančias priimtinas nuotėkio sroves. Tai paaiškina kondensatorių rūšių ir tipų įvairovę, kurių kiekviena yra skirta konkrečioms sąlygoms.

Elektrolitinis kondensatorius

Didžiausias savitasis talpa (talpos ir tūrio santykis) elektrolitiniai kondensatoriai. „Elektrolitų“ talpa siekia iki 100 000 mikrofaradų, o darbinė įtampa - iki 600 V. Tokie kondensatoriai gerai veikia tik žemu dažniu, dažniausiai maitinimo šaltinių filtruose. Elektrolitiniai kondensatoriai įjungiami poliškumu.

Tokiuose kondensatoriuose esantys elektrodai yra plona metalo oksido plėvelė, todėl dažnai šie kondensatoriai vadinami oksidu. Plonas oro sluoksnis tarp tokių elektrodų nėra labai patikimas izoliatorius, todėl tarp oksido plokštelių įvedamas elektrolito sluoksnis. Dažniausiai tai yra koncentruoti rūgščių arba šarmų tirpalai.

3 paveiksle parodytas vienas iš šių kondensatorių.

3 pav. Elektrolitinis kondensatorius

Norint įvertinti kondensatoriaus dydį, šalia jo buvo nufotografuota paprasta degtukų dėžutė. Be pakankamai didelės talpos paveiksle, taip pat galite pamatyti procentinį nuokrypį: ne mažiau kaip 70% nominalo.

Tais laikais, kai kompiuteriai buvo dideli ir vadinami kompiuteriais, tokie kondensatoriai buvo diskuose (šiuolaikiniame HDD). Tokių diskų talpa dabar gali sukelti tik šypseną: ant dviejų diskų, kurių skersmuo 350 mm, buvo saugoma 5 megabaitų informacijos, o pats įrenginys svėrė 54 kg.

Paveikslėlyje parodytas superkondensatorių pagrindinis tikslas buvo ištraukti magnetines galvutes iš disko darbinės zonos staigaus elektros energijos tiekimo nutraukimo metu. Tokie kondensatoriai keletą metų galėjo laikyti krūvį, kuris buvo išbandytas praktiškai.

Šiek tiek žemiau su elektrolitiniais kondensatoriais bus pasiūlyta atlikti keletą paprastų eksperimentų, norint suprasti, ką gali atlikti kondensatorius.

Norint dirbti kintamos srovės grandinėse, gaminami nepoliniai elektrolitiniai kondensatoriai, juos labai sunku gauti dėl tam tikrų priežasčių. Norint kažkaip išspręsti šią problemą, įprasti poliniai „elektrolitai“ turi priešingą seką: plius-minus-minus-plius.

Jei polinis elektrolitinis kondensatorius yra įtrauktas į kintamosios srovės grandinę, tada jis pirmiausia įkaista, o tada girdimas sprogimas. Buitiniai seni kondensatoriai išsibarstę į visas puses, o importuoti turi specialų įtaisą, kuris leidžia išvengti garsių šūvių. Paprastai tai yra kryžminis įpjovimas kondensatoriaus dugne arba skylė su guminiu kamščiu, esančiu toje pačioje vietoje.

Jie nemėgsta padidėjusios įtampos elektrolitinių kondensatorių, net jei stebimas poliškumas. Todėl niekada neturėtumėte įdėti „elektrolitų“ į grandinę, kurioje tikimasi maksimalią įtampą tam tikram kondensatoriui.

Kartais kai kuriuose, net ir patikimuose forumuose, pradedantieji užduoda klausimą: „Diagramoje nurodytas 470μF * 16 V kondensatorius, o aš turiu 470 µF * 50 V, ar galiu įdėti?“ Taip, žinoma, jūs galite, bet atvirkštinis pakeitimas neleidžiamas.

Kondensatorius gali kaupti energiją

Norėdami išspręsti šį teiginį, padės paprasta schema, parodyta 4 paveiksle.

4 pav. Grandinė su kondensatoriumi

Šios grandinės veikėjas yra elektrolitinis kondensatorius C, kurio talpa yra pakankamai didelė, kad įkrovimo ir iškrovimo procesai vyktų lėtai ir net labai aiškiai. Tai leidžia vizualiai stebėti grandinės veikimą naudojant įprastą žibintuvėlį iš žibintuvėlio. Šie žibintai jau seniai užleido vietą šiuolaikiniams šviesos diodams, tačiau lemputės jiems vis dar parduodamos. Todėl labai lengva surinkti grandinę ir atlikti paprastus eksperimentus.

Gal kas nors pasakys: „Kodėl? Juk viskas yra akivaizdu, ir net jei perskaitytum aprašą ... “ Čia, atrodo, nėra ko ginčytis, tačiau bet kuris, net pats paprasčiausias dalykas, ilgai išlieka galvoje, jei jo supratimas atėjo per rankas.

Taigi, grandinė yra surinkta. Kaip ji dirba?

Jungiklio SA padėtyje, parodytoje diagramoje, kondensatorius C įkraunamas iš maitinimo šaltinio GB per varžą R grandinėje: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. Įkrovimo srovė diagramoje parodyta rodykle su rodykle iз. Kondensatoriaus įkrovimo procesas parodytas 5 paveiksle.

5 pav. Kondensatoriaus įkrovimo procesas

Paveikslėlyje parodyta, kad kondensatoriaus įtampa didėja išilgai kreivės, matematikoje vadinama eksponentu. Įkrovos srovė tiesiogiai atspindi įkrovimo įtampą. Kylant įtampai visame kondensatoriuje, įkrovimo srovė tampa vis mažesnė. Ir tik pradiniu momentu atitinka paveiksle parodytą formulę.

Po kurio laiko kondensatorius bus įkrautas nuo 0 V iki maitinimo šaltinio įtampos, mūsų grandinėje iki 4,5 V. Visas klausimas yra, kaip laikas nustatyti, kiek laiko reikia laukti, kada įkraus kondensatorių?

Tau laiko konstanta τ = R * C

Šioje formulėje nuosekliai sujungto rezistoriaus ir kondensatoriaus varža ir talpa tiesiog padauginama.Jei, nepaisydami SI sistemos, pakeisite varžą omuose, Faradų talpą, tada rezultatas bus pateiktas sekundėmis. Būtent šis laikas reikalingas kondensatoriui įkrauti iki 36,8% maitinimo šaltinio įtampos. Atitinkamai, norint sumokėti beveik 100%, reikės 5 * τ laiko.

Dažnai, nepaisant SI sistemos, atsparumas Omais pakeičiamas į formulę, o talpa yra mikrofaradose, tada laikas paaiškės mikrosekundėmis. Mūsų atveju yra patogiau gauti rezultatą sekundėmis, kai jums tereikia padauginti mikrosekundės iš milijono arba, paprasčiau tariant, perkelti kablelį šešis simbolius į kairę.

4 paveiksle pavaizduotai grandinei, kurios kondensatorius yra 2000 μF, o varžos varža 500 Ω, laiko konstanta bus τ = R * C = 500 * 2000 = 1 000 000 mikrosekundžių arba tiksliai viena sekundė. Taigi, jūs turėsite palaukti apie 5 sekundes, kol kondensatorius bus visiškai įkrautas.

Jei praėjus nurodytam laikui, jungiklis SA pasukamas į reikiamą padėtį, tada kondensatorius C išleidžiamas per EL lemputę. Šiuo metu įvyks trumpas blyksnis, kondensatorius išsikraus ir lemputė užges. Kondensatoriaus iškrovimo kryptis parodyta rodykle su rodykle ip. Iškrovos laiką taip pat lemia laiko konstanta τ. Išmetimo grafikas parodytas 6 paveiksle.

6 pav. Kondensatoriaus iškrovos grafikas

Kondensatorius neperduoda nuolatinės srovės

Norėdami patikrinti šį teiginį, padės dar paprastesnė schema, parodyta 7 paveiksle.

7 pav. Grandinė su kondensatoriumi nuolatinės srovės grandinėje

Jei uždarysite jungiklį SA, įvyks trumpas lemputės mirksėjimas, kuris rodo, kad kondensatorius C įkraunamas per lemputę. Čia taip pat parodytas įkrovimo grafikas: tuo metu, kai jungiklis uždaromas, srovė yra maksimali, nes kondensatorius įkrauna, jis sumažėja, o po kurio laiko jis visiškai sustoja.

Jei kondensatorius yra geros kokybės, t. esant mažai nuotėkio srovei (savaiminis išsikrovimas), pakartotinis jungiklio uždarymas nesukels blykstės. Norėdami gauti kitą blykstę, kondensatorius turės būti iškrautas.

Kondensatorius galios filtruose

Kondensatorius paprastai dedamas po lygintuvu. Dažniausiai lygintuvai gaminami pusiau bangomis. Dažniausios lygintuvo grandinės parodytos 8 paveiksle.

8 pav. Lygintuvo grandinės

Pusiau bangos lygintuvai taip pat naudojami gana dažnai, paprastai tais atvejais, kai apkrovos galia yra nereikšminga. Vertingiausia tokių lygintuvų kokybė yra paprastumas: tik vieno diodo ir transformatoriaus apvija.

Pusiau bangos lygintuvui filtro kondensatoriaus talpą galima apskaičiuoti pagal formulę

C = 1 000 000 * Po / 2 * U * f * dU, kur C yra kondensatorius μF, Po yra apkrovos galia W, U yra įtampa ties lygintuvo išvestimi V, f yra kintamosios srovės įtampos dažnis Hz, dU yra virpėjimo amplitudė V.

Didelis skaičius skaitiklyje 1.000.000 konvertuoja kondensatoriaus talpą iš „Farads“ sistemos į mikrofaradą. Dviejų vardiklyje nurodomas lygintuvo pusperiodžių skaičius: pusiau bangos vietoje pasirodys vienetas.

C = 1 000 000 * Po / U * f * dU,

o trifaziam lygintuvui formulė bus tokia: C = 1 000 000 * Po / 3 * U * f * dU.

Superkondensatorius - jonistorius

Neseniai atsirado nauja elektrolitinių kondensatorių klasė, vadinamoji jonistorius. Savo savybėmis jis panašus į akumuliatorių, tačiau turi keletą apribojimų.

Jonistorius įkrauna vardinę įtampą per trumpą laiką, pažodžiui per kelias minutes, todėl patartina jį naudoti kaip atsarginį energijos šaltinį. Tiesą sakant, jonistorius yra nepolinis įtaisas, vienintelis dalykas, kuris lemia jo poliškumą, yra įkrovimas gamykloje. Kad ateityje nesupainiotumėte šio poliškumo, jis žymimas + ženklu.

Svarbų vaidmenį vaidina jonizatorių veikimo sąlygos. 70 ° C temperatūroje esant 0,8 įtampai, kai nominalus garantuojamas patvarumas yra ne daugiau kaip 500 valandų.Jei prietaisas veiks nuo 0,6 įtampos nuo nominalios, o temperatūra neviršija 40 laipsnių, tada tinkamai veikti įmanoma 40 000 ar daugiau valandų.

Labiausiai paplitusios jonistorinės programos yra atsarginės energijos šaltiniai. Tai daugiausia atminties lustai ar elektroniniai laikrodžiai. Šiuo atveju pagrindinis jonistoriaus parametras yra maža nuotėkio srovė, jos savaiminis išsikrovimas.

Gana perspektyvus yra jonizatorių naudojimas kartu su saulės baterijomis. Tai taip pat turi įtakos nekritiškumui dėl įkrovos būklės ir beveik neribotam įkrovos iškrovos ciklų skaičiui. Kita vertinga savybė yra tai, kad jonistoriui nereikia priežiūros.

Iki šiol paaiškėjo, kaip ir kur veikia elektrolitiniai kondensatoriai, daugiausia nuolatinės srovės grandinėse. Kondensatorių veikimas kintamosios srovės grandinėse bus aprašytas kitame straipsnyje - Kintamosios srovės elektros įrenginių kondensatoriai.

Borisas Aladyshkinas 

P.S. Įdomus kondensatorių naudojimo atvejis: kondensatoriaus suvirinimas