Последовательное соединение конденсаторов
В электрической цепи может быть не один, а сразу несколько конденсаторов. Они могут быть соединены как последовательно, так и параллельно.
Рассмотрим первый тип соединения — последовательный (рисунок 15).
Рисунок 15. Последовательное соединение конденсаторов
Обкладки 2 и 3, принадлежащие разным конденсаторам, будут являться отдельной деталью. По закону сохранения заряда, заряды на обкладках 2 и 3 будут равны друг другу по модулю, но противоположны по знаку. Из этого следует, что общий заряд конденсаторов численно будет равен заряду на любой из обкладок конденсаторов.
Напряжение на концах участка цепи с последовательно соединенными конденсаторами будет складываться из значения напряжений на каждом конденсаторе.
Чтобы получить формулу для общей емкости конденсаторов, последнее равенство нужно разделить на заряд q (любой, так как они равны).
{"questions":,"answer":}}}]}
Упражнения
Упражнение №1
Пластины плоского конденсатора подсоединяют к источнику напряжения в $220 \space В$. Емкость конденсатора равна $1.5 \cdot 10^{-4} \space мкФ$. Чему будет равен заряд конденсатора?
Дано:$C = 1.5 \cdot 10^{-4} \space мкФ$$U = 220 \space В$
СИ:$С = 1.5 \cdot 10^{-10} \space Ф$
$q — ?$
Посмотреть решение и ответ
Скрыть
Решение:
Формула для расчета электроемкости конденсатора:$C = \frac{q}{U}$.
Выразим отсюда заряд конденсатора и рассчитаем его:$q = CU$,$q = 1.5 \cdot 10^{-10} \space Ф \cdot 220 \space В = 33 \cdot 10^{-9} \space Кл$.
Ответ: $q = 33 \cdot 10^{-9} \space Кл$.
Упражнение №2
Заряд плоского конденсатора равен $2.7 \cdot 10^{-2} \space Кл$, его емкость составляет $0.01 \space мкФ$. Найдите напряжение между обкладками конденсатора.
Дано:$C = 0.01 \space мкФ$$q = 2.7 \cdot 10^{-2} \space Кл$
СИ:$C = 10^{-8} \space Ф$
$U — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Формула для расчета электроемкости конденсатора:$C = \frac{q}{U}$.
Выразим отсюда напряжение между обкладками конденсатора и рассчитаем его:$U = \frac{q}{C}$,$U = \frac{2.7 \cdot 10^{-2} \space Кл}{10^{-8} \space Ф} = 2.7 \cdot 10^6 \space В$.
Ответ: $U = 2.7 \cdot 10^6 \space В$.
Подстроечные (полупеременные) конденсаторы.
Особенностью этих конденсаторов является то, что их емкость изменяется в процессе производства РЭА (регулировки), а в процессе эксплуатации емкость таких конденсаторов должна сохраняться постоянной и не изменяться под воздействием вибрации и ударов.
Они могут быть с воздушным или твердым диэлектриком. На рис. 15,а показано устройство подстроенного конденсатора с твердым диэлектриком типа КПК (конденсатор подстроечный керамический). Такой конденсатор состоит из основания 2 (статора) и вращающего диска 1 (ротора). На основание и диск напылены серебряные пленки полукруглой формы. При
вращении ротора изменяется площадь перекрытия пленок, а следовательно, емкость конденсатора. Как правило, минимальная емкость (когда пленки не перекрыты) составляет несколько пикофарад, а при полном перекрытии пленок емкость конденсатора будет максимальной, величина этой емкости составляет несколько десятков пикофарад. От ротора и
статора сделаны внешние выводы 3 и 4. Плотное прилегание ротора к статору обеспечивается прижимной пружиной 5.
На рис. 15,б показано устройство подстроечного конденсатора с воздушным диэлектриком. На керамическом основании 1 установлены колонки 2 для крепления пластин статора 3. Пластины ротора 4 закреплены на оси ротора 5. Посредствам пружины — токосъема 6 ротор подключается к соответствующим точкам принципиальной схемы. Крепление конденсатора осуществляется с помощью колонок 7, имеющих внутреннюю резьбу.
| а) | б) |
Рис. 15 — Устройство подстроечных конденсаторов
а — с твердым диэлектриком, б — с воздушным диэлектриком
Вариконды
Это конденсаторы, емкость которых зависит от напряженности электрического поля. Они выполняются на основе сегнетоэлектриков (титаната бария, стронция, кальция и т.д). Для них характерны высокие значения относительной диэлектрической проницаемости и ее сильная зависимость от напряженности электрического поля и температуры. Применяются вариконды как элементы настройки колебательных контуров. Если вариконд включить в цепь резонансного LC контура и изменять постоянное напряжение, подводимое к нему от источника, имеющего высокое внутренее сопротивление (оно необходимо для того, чтобы источник не ухудшал добротность колебательного контура), то можно изменять резонансную частоту этого контура.
Варикапы
Это конденсаторы, емкость которых изменяется за счет изменения расстояния между его обкладками путем подведения внешнего напряжения. Варикап — это одна из разновидностей полупроводникового диода, к которому подводится обратное напряжение, изменяющее емкость диода. Благодаря малым размерам, высокой добротности, стабильности и значительному изменению емкости варикапы нашли широкое применение в РЭА для настройки контуров и фильтров.
Электроемкость конденсатора
Логично предположить, что разные конденсаторы по-разному будут накапливать заряд. Как охарактеризовать эту способность прибора? Для этого существует специальная величина — электроемкость (или просто емкость) конденсатора.
Чтобы понять смысл этой величины, рассмотрим опыт. Возьмем две металлические пластины и установим их на изолированных подставках друг напротив друга.
Подключим к пластинам электрометр. Этот прибор (рисунок 4) по своему устройству и принципу действия схож с электроскопом. Он позволит нам зафиксировать значения напряжения, которое возникнет между пластинами.
Рисунок 4. Электрометр
Итак, одну из пластин (A) мы соединим проводом со стержнем электрометра, а другую (B) соединим с корпусом прибора (заземлим). Коснемся положительно наэлектризованной стеклянной палочкой внешней стороны пластины A (рисунок 5).
Рисунок 5. Электризация одной пластины конденсатора
Мы сообщили пластине A положительный заряд $+q$. Вокруг этого заряда (пластины A) теперь существует электрическое поле. Под его действием произойдет перераспределение зарядов в пластине B. Отрицательные заряды перейдут на внутреннюю сторону пластины, а положительные — на внешнюю.
Помните, что мы заземлили пластину B? За счет этого на пластину пойдут свободные электроны с земли. Они нейтрализуют положительный заряд на внешней стороне пластины. Таким образом, мы получили на пластине B отрицательный заряд $-q$ (рисунок 6). По величине он равен заряду на другой пластине.
Рисунок 6. Результат электризации пластины конденсатора
Стрелка электрометра отклонилась. Зафиксируем это значение напряжения между пластинами. Далее мы снова сообщим заряд пластине B, равный по величине первому сообщаемому заряду. Потом сообщим третий и четвертый такие же заряды, наблюдая за стрелкой электрометра.
Вы увидите, что при увеличении заряда в 2, 3, 4 раза, соответственно, в 2, 3, 4 раза увеличиваются показания электрометра — напряжение между пластинами
Важно отметить, что отношение заряда к напряжению при этом будет постоянно:$\frac{q}{U} = \frac{2q}{2U} = \frac{3q}{3U} = \frac{4q}{4U} = const$
Теперь мы можем дать определение электроемкости конденсатора.
{"questions":,"explanations":,"answer":}}}]}
Перевод единиц Ёмкости электрической, электрической емкости, маркировка конденсаторов — таблица + Таблица перевода величин емкостей и обозначений конденсаторов
| Перевести из: | Перевести в: | ||||
| Ф | абФ | Ф до 1948 г. | μФ | статФ | |
| 1 Ф = фарада = F = farad (единица СИ) это: | 1,0 | 1.0×10-9 | 1.000495 | 1.0×106 | 8.987584×1011 |
| 1 абФ = Абфарад = Abfarad = единица СГСМ = EM unit это: | 1.0×109 | 1,0 | 1.000495×109 | 1.0×1015 | 8.987584×1020 |
|
1Ф до 1948 г. = «farad international»: |
0.999505 | 9.995052×10-10 | 1,0 | 9.995052×105 | 8.9831369×1011 |
| 1 микрофарад = μФ = μF: | 1.0×10-6 | 1.0×10-15 | 1.000495×10-6 | 1,0 | 8.987584×105 |
| 1 Статфарад = статФ = Statfarad = единица СГСЭ = ES unit это: | 1.112646×10-12 | 1.112646×10-21 | 1.131968×10-12 | 1.112646×10-6 | 1,0 |
- Приставки: мили-, микро-, нано-, пико- — таблица тут
- Формулы емкости конденсатора.
Общая концепция
Конденсатор состоит из двух проводящих обкладок и диэлектрика между ними. И все, больше ничего. С виду простая радиодеталь, но работает на высоких и низких частотах по-разному.
Обозначается на схеме двумя параллельными линиями.
Принцип работы
Эта радиодеталь хорошо демонстрирует явление электростатической индукции. Разберем на примере.
Если подключить к конденсатору постоянный источник тока, то в начальный момент времени ток начнет скапливаться на обкладках конденсатора. Это происходит за счет электростатической индукции. Сопротивление практически равно нулю.
Электрическое поле за счет электростатической индукции притягивает разноименные заряды на две противоположные обкладки. Это свойство материи называется емкостью. Емкость есть у всех материалов. И даже у диэлектриков, но у проводников она значительно больше. Поэтому обкладки конденсатора выполнены из проводника.
Основное свойство конденсатора — это емкость. Она зависит от площади пластин, расстояния между ними и материала диэлектрика, которым заполняют пространство между обкладками.
Когда на обкладках не останется места для электрического тока, то и ток в цепи прекратится. Электростатическая индукция пропадает. Теперь остается электрическое поле, которое держит заряды на своих обкладках и не отпускает их. А электрическому току некуда деваться. Напряжение на конденсаторе станет равным ЭДС (напряжению) источнику тока.
А что будет, если повысить ЭДС (напряжение) источника тока? Электрическое поле начнет все сильнее давить на диэлектрик, поскольку места на обкладках уже нет. Но если напряжение на конденсаторе превысит допустимые знания, то диэлектрик пробьет. И конденсатор станет проводником, заряды освободятся, и ток пойдет по цепи. Как тогда использовать конденсатор для высоких напряжений? Можно увеличить размер диэлектрика и расстояние между обкладками, но при этом уменьшается емкость детали.
Между обкладками находится диэлектрик, который препятствует прохождению постоянного тока. Это именно барьер для постоянного тока. Потому, что постоянный ток создает и постоянное напряжение. А постоянное напряжение может создавать электростатическую индукцию только при замыкании цепи, то есть, когда конденсатор заряжается.
Так конденсатор может сохранять энергию до тех пор, пока к нему не подключится потребитель.
Конденсатор и цепь постоянного тока
Добавим в схему лампочку. Она загорится только во время зарядки.
Еще одна важная особенность — когда происходит процесс зарядки током, то напряжение отстает от тока. Напряжение как бы догоняет ток, поскольку сопротивление нарастает плавно, по мере зарядки. Электрические зарядам нужно время, чтобы переместиться к обкладкам конденсатора. Так называется время зарядки. Оно зависит от емкости, частоты и напряжения.
Лампочка затухает при полной зарядке.
Постоянный электрический ток не проходит через конденсатор только после его зарядки.
Цепь с переменным током
А что если поменять полярность на источнике тока? Тогда конденсатор начнет разряжаться, и снова заряжаться, поскольку меняется полярность источника.
Электростатическая индукция возникает постоянно, если электрический ток переменный. Каждый раз, когда ток начинает менять свое направление, начинается процесс зарядки и разрядки.
Поэтому, конденсатор пропускает переменный электрический ток.
Чем выше частота — тем меньше реактивное (емкостное) сопротивление конденсатора.
Основные параметры конденсатора
Основными параметрами являются емкость и рабочее напряжение. Кроме
того, свойства конденсаторов характеризуются рядом паразитных
параметров.
Номинальная емкость и допустимое отклонение от номинала . Номинальные значения емкости высокочастотных конденсаторов так же как и номинальные значения сопротивлений стандартизированы и определяются рядами Е6, Е12, Е24 и т.д. Номинальные значения емкости электролитических конденсаторов определяются рядом: 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30;50; 100; 200; 300; 500; 1000; 2000:5000 мкф.
Номинальные значения емкости бумажных пленочных конденсаторов определяются рядом: 0,5; 0,25; 0,5; 1; 2; 4; 6; 8; 20; 20; 40; 60; 80; 100; 200;400; 600; 800; 1000 мкф.
По отклонению от номинала конденсаторы разделяются на классы (табл. 2).
Таблица 2
| Класс | 0,01 | 0,02 | 0,05 | 00 | I | II | III | IV | V | VI | |
| Допуск, % | ±0,1 | ±0,2 | ±0,5 | ±1 | ±2 | ±5 | ±10 | ±20 | -10 +20 |
-20 +30 |
-20 +50 |
Конденсаторы I, II, и III классов точности являются конденсаторами широкого применения и соответствуют рядам Е24, Е12 и Е6.
В зависимости от назначения в РЭА применяют конденсаторы различных
классов точности. Блокировочные и разделительные конденсаторы обычно
выбирают по II и III классам точности, контурные конденсаторы обычно
имеют 1,0 или 00 классы точности, а фильтровые — IV, V и VI классы
точности.
Электрическая прочность конденсаторов характеризуется
величиной напряжения пробоя и зависит в основном от изоляционных
свойств диэлектрика. Все конденсаторы в процессе изготовления
подвергаются воздействию испытательного напряжения в течении 2 — 5 с. В
технической документации указывается номинальное напряжение, т.е. такое
максимальное напряжение, при котором конденсатор может работать
длительное время при соблюдении условий, указанных в технической
документации. Для повышения надежности РЭА конденсаторы используют при
напряжении, которое меньше номинального.
Стабильность емкости определяется ее изменением под
воздействием внешних факторов. Наибольшее влияние на величину емкости
оказывает температура. Ее влияние оценивается температурным
коэффициентом емкости (ТКЕ):
Изменение емкости обусловлено изменением диэлектрической
проницаемости диэлектрика, изменением линейных размеров обкладок
конденсатора и
диэлектрика.
В основном же изменение емкости вызывается изменением диэлектрической проницаемости.
У высокочастотных конденсаторов величина ТКЕ не зависит от
температуры и указывается на корпусе конденсатора путем окраски корпуса в
определенный цвет и нанесения цветной метки.
У низкочастотных конденсаторов температурная зависимость емкости
носит нелинейный характер. Температурная стабильность этих конденсаторов
оценивается величиной предельного отклонения емкости при крайних
значениях температуры. Низкочастотные конденсаторы разделены на три
группы по величине температурной нестабильности: Н20 — ±20%; НЗО — ±30%; Н90 — (+50 -90)%.
Стабильность конденсаторов во времени характеризуется коэффициентом старения
Потери энергии в конденсаторах обусловлены электропроводностью и поляризацией диэлектрика и характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь . Конденсаторы с керамическим диэлектриком имеют > 10-4, конденсаторы со слюдяным диэлектриком — 10-4, с бумажным — 0,01-0,02, с оксидным-0,1-1,0.
Что такое конденсатор
Прибор, который накапливает электроэнергию в виде электрических зарядов, называется конденсатором.
Количество электричества или электрический заряд в физике измеряют в кулонах (Кл). Электрическую ёмкость считают в фарадах (Ф).
Уединенный проводник электроёмкостью в 1 фараду — металлический шар с радиусом, равным 13 радиусам Солнца. Поэтому конденсатор включает в себя минимум 2 проводника, которые разделяет диэлектрик. В простых конструкциях прибора — бумага.
Работа конденсатора в цепи постоянного тока осуществляется при включении и выключении питания.Только в переходные моменты меняется потенциал на обкладках.
Конденсатор в цепи переменного тока перезаряжается с частотой, равной частоте напряжения источника питания. В результате непрерывных зарядов и разрядов ток проходит через элемент. Выше частота — быстрее перезаряжается прибор.
Сопротивление цепи с конденсатором зависит от частоты тока. При нулевой частоте постоянного тока величина сопротивления стремится к бесконечности. С увеличением частоты переменного тока сопротивление уменьшается.
В чем отличие полярного и неполярного
Неполярные допускают включение конденсаторов в цепь без учета направления тока. Элементы применяются в фильтрах переменных источников питания, усилителях высокой частоты.
Полярные изделия подсоединяют в соответствии с маркировкой. При включении в обратном направлении прибор выйдет из строя или не будет нормально работать.
Полярные и неполярные конденсаторы большой и малой ёмкости отличаются конструкцией диэлектрика. В электролитических конденсаторах, если оксид наносится на 1 электрод или 1 сторону бумаги, пленки, то элемент будет полярным.
Модели неполярных электролитических конденсаторов, в конструкциях которых оксид металла нанесли симметрично на обе поверхности диэлектрика, включают в цепи с переменным током.
У полярных на корпусе присутствует маркировка положительного или отрицательного электрода.
Система обозначений и маркировка конденсаторов
В настоящее время принята система обозначений конденсаторов
постоянной емкости, состоящая из ряда элементов: на первом месте стоит
буква К, на втором месте -двухзначное число, первая цифра которого
характеризует тип диэлектрика, а вторая — особенности диэлектрика или
эксплуатации (табл. 3), затем через дефис ставится порядковый номер
разработки.
Например, обозначение К 10-17 означает керамический низковольтный
конденсатор с 17 порядковым номером разработки. Кроме того, применяются
обозначения, указывающие конструктивные особенности:
- КСО — конденсатор
слюдяной спрессованный, - КЛГ — конденсатор литой герметизированный,
- КТ
-керамический трубчатый - и т. д.
Подстроечные конденсаторы обозначаются буквами КТ, переменные -буквами К П. Затем следует цифра, указывающая тип диэлектрика:
1 — вакуумные;
2 — воздушные;
3 — газонаполненные;
4 — твердый
диэлектрик;
5 — жидкий диэлектрик.
В конструкторской документации помимо типа конденсатора указывается величина емкости, рабочее напряжение и ряд
других параметров. Например, обозначение КП2 означает конденсатор
переменной емкости с воздушным диэлектриком, а обозначение КТ4 —
подстроечный конденсатор с твердым диэлектриком.
Таблица 3
| Обозначение | Тип конденсатора | Обозначение | Тип конденсатора |
|---|---|---|---|
| К10 | Керамический, низковольтный (<1600B) |
К50 | Электролитический, фольговый, Алюминиевый |
| К15 | Керамический, высоковольтный (>1600B) |
К51 | Электролитический, фольговый, танталовый,ниобиевый и др. |
| К20 | Кварцевый | К52 | Электролитический, объемно-пористый |
| К21 | Стеклянный | К53 | Оксидно-полупроводниковый |
| К22 | Стеклокерамический | К54 | Оксидно-металлический |
| К23 | Стеклоэмалевый | К60 | С воздушным диэлектриком |
| К31 | Слюдяной малой мощности | К61 | Вакуумный |
| К32 | Слюдяной большой мощности | К71 | Пленочный полистирольный |
| К40 | Бумажный низковольтный (<2 кB) с фольговыми обкладками | К72 | Пленочный фторопластовый |
| К73 | Пленочный полиэтилентереф-талатный | ||
| К41 | Бумажный высоковольтный(>2 kB) с фольговыми обкладками | К75 | Пленочный комбинированный |
| К76 | Лакопленочный | ||
| К42 | Бумажный с металлизированными Обкладками | К77 | Пленочный, Поликарбонатный |
На корпусе конденсатора указываются его основные параметры. В малогабаритных конденсаторах применяется сокращенная буквенно-кодовая маркировка.
При емкости конденсатора менее 100 пФ ставится буква П. Например, 33П означает, что емкость конденсатора 33 пф. Если емкость
лежит в пределах от 100 пф до 0,1 мкф, то ставится буква Н
(нанофарада). Например, 10Н означает емкость в 10 нф или 10 000 пф. При
емкости более 0,1 мкф ставится буква М, например, 10М означает емкость в
10 мкф. Слитно с обозначением емкости указывается буквенный индекс,
характеризующий класс точности. Для ряда Е6 с точностью ±20% ставится
индекс В, для ряда Е12 — индекс С, а для ряда Е24 — индекс И. Например,
маркировка 1Н5С означает конденсатор емкостью 1,5 нф (1500 пф), имеющий
отклонение от номинала ±10%.
Более подробно о маркировке конденсаторов читайте в статье «Маркировка конденсаторов».
