4) Хранение данных. Конденсаторы используются для хранения данных в оперативной памяти (RAM). Каждый модуль указанной памяти содержит миллиарды отдельных конденсаторов, которые можно заряжать или разряжать, что интерпретируется как единица или ноль.
Конденсаторы: электролитические и керамические, ёмкость и заряд
Конденсатор (конденсатор, колпачок) представляет собой небольшую «батарейку», которая быстро заряжается, когда вокруг нее есть напряжение, и быстро разряжается, когда напряжения недостаточно для удержания заряда.
Основной характеристикой конденсатора является его емкость. Обозначается символом С, его единица измерения — фарад. Чем больше емкость, тем больший заряд может удерживать конденсатор при данном напряжении. Кроме того, чем выше емкость, тем ниже скорость загрузки и выгрузки.
Типичные значения, используемые в микроэлектронике, находятся в диапазоне от десятков пикофарад (пФ, pF = 0,000000000001 Ф) до десятков микрофарад (мкФ, мкФ = 0,000001 Ф). Наиболее распространенными типами конденсаторов являются керамические и электролитические. Керамика меньше по размеру и обычно имеет емкость до 1 микрофарад; им все равно, какой из контактов будет подключаться к большему, а какой к меньшему. Электролитические конденсаторы имеют емкости от 100 пФ и являются полярными: к плюсу должен быть подключен определенный контакт. Нога, соответствующая плюсу, становится длиннее.
Конденсатор состоит из двух пластин, разделенных диэлектрическим слоем. Пластинки накапливают заряд: одна положительная, другая отрицательная; Это создает внутреннее напряжение. Изолирующий диэлектрик предотвращает преобразование внутреннего напряжения во внутренний ток, который уравнял бы пластины.
Зарядка и разрядка
Пока переключатель находится в положении 1, на конденсаторе создается напряжение, он заряжается. Заряд Q на пластине в данный момент времени рассчитывается по формуле:
> \справа) $» />
C — емкость, e — показатель степени (константа ≈ 2,71828), t — время от начала зарядки. Заряд на второй пластине всегда имеет точно такое же значение, но с обратным знаком. Если убрать резистор R, то от выводов будет только небольшое сопротивление (оно станет значением R) и зарядка будет происходить очень быстро.
Представив функцию на графике, получим следующее изображение:
Как видите, заряд растет не равномерно, а обратно экспоненциально. Это связано с тем, что по мере накопления заряда создается все больше и больше обратного напряжения Vc, которое «сопротивляется» Vin.
$» />
Все заканчивается тем, что Vc становится равным по величине Vin и ток перестает течь. В этот момент говорят, что конденсатор достиг точки насыщения (равновесия). Затем нагрузка достигает своего максимума.
\cdot C $» />
Помня Закон Ома, мы можем представить зависимость силы тока в нашей цепи при зарядке конденсатора.
$» />
Теперь, когда система находится в равновесии, установите переключатель в положение 2.
На обкладках конденсатора заряды противоположных знаков создают напряжение — через заряд появляется ток (Charge). Ток будет течь в направлении, противоположном направлению источника питания. Разрядка будет происходить и наоборот: сначала заряд будет теряться быстро, затем, с падением создаваемого им напряжения, все медленнее и медленнее. Если за Q0 обозначить заряд, который изначально был на конденсаторе, то:
> \hspace V_c = \frac e^> \hspace I = \frac e^> $» />
Эти значения на графике выглядят так:
Опять через какое-то время система остановится: пропадет весь заряд, исчезнет напряжение, перестанет течь ток.
Если вы снова воспользуетесь переключателем, все начнется по кругу. Таким образом, конденсатор не делает ничего, кроме размыкания цепи при постоянном напряжении; и он «работает» при резком изменении напряжения. Это ваша собственность и определяет, когда и как она применяется на практике.
Элементная база для проектирования электронных устройств становится все более сложной. Устройства объединяются в интегральные схемы с заданным функционалом и программным управлением. Но в основу разработки положены базовые устройства: конденсаторы, резисторы, диоды и транзисторы.
Для чего нужен конденсатор?
Это устройство имеет множество применений. Мы не будем перечислять их все, упомянем лишь некоторые.
1) Фильтрация волн в силовых цепях. Конденсаторы часто ставят на входе и выходе преобразователей напряжения, на входе питания микросхем. В этом случае конденсаторы служат своего рода амортизатором, способным сглаживать скачки напряжения, подобно тому, как амортизаторы в автомобиле сглаживают неровности на дороге.
2) Сроки электрических цепей. Конденсаторы разной емкости заряжаются и разряжаются в разное время. Эта функция используется в устройствах, где необходимо отсчитывать определенные периоды времени. Например, с помощью резистора и конденсатора в микросхеме таймера 555 задается период импульсов и скважность (урок таймера 555).
3) Сенсорные датчики. В качестве одной из обкладок конденсатора может выступать человек. Эту особенность нашего тела используют в своей работе сенсорные кнопки, сенсорные экраны и сенсорные панели некоторых видов.
4) Хранение данных. Конденсаторы используются для хранения данных в оперативной памяти (RAM). Каждый модуль указанной памяти содержит миллиарды отдельных конденсаторов, которые можно заряжать или разряжать, что интерпретируется как единица или ноль.
И это далеко не все варианты использования этого незаменимого устройства. Попробуем разобраться, как конструкция конденсатора позволяет ему выполнять столько полезных функций!
Устройство простейшего конденсатора
Конденсатор состоит из двух металлических пластин — электродов, также называемых пластинами, между которыми находится тонкий слой диэлектрика.
В реальности все конденсаторы устроены именно так (или почти так), разве что меняется материал обкладок и диэлектрика.
Чтобы увеличить емкость конденсатора без увеличения его размеров, используют несколько приемов. Например, если взять два чехла в виде длинных полосок алюминиевой фольги, положить между ними хотя бы такой же полиэтилен и свернуть все это в виде рулона, то получится очень компактное устройство с большой емкостью. Так работают пленочные конденсаторы.
Если вместо полиэтилена взять бумагу и пропитать ее электролитом, то на поверхности листа образуется тонкий слой оксида, который не проводит ток. Такой конденсатор будем называть электролитическим.
Конденсаторы бывают самых разных типов: бумажные, пленочные, оксидно-алюминиевые и танталовые, вакуумные и др. в нашем уроке мы будем использовать оксидные электролитические конденсаторы из-за их большой емкости и доступности.
Y5V имеют гораздо более высокую емкость, но их номинальные температура и напряжение еще ниже. Он также используется для развязывания и различных приложений общего назначения.
Алюминиевые электролитические
Алюминиевые электролитические конденсаторы используют анодированный слой на алюминиевом листе в качестве одной диэлектрической пластины и электролит из гальванического элемента в качестве другой пластины. Наличие гальванического элемента делает их полярными, то есть постоянное напряжение должно быть приложено в одном направлении, а анодом или плюсом должна быть анодированная пластина.
На практике их пластины выполнены в виде сэндвича из алюминиевой фольги, завернутой в цилиндр и помещенной в алюминиевую банку. Рабочее напряжение зависит от глубины анодированного слоя.
Электролитические конденсаторы имеют наибольшую емкость среди распространенных, от 0,1 до тысяч микрофарад. Из-за плотной упаковки гальванического элемента они имеют большую эквивалентную последовательную индуктивность (ЭСИ, или эффективную индуктивность), поэтому их нельзя использовать на высоких частотах. Обычно они используются для сглаживания и развязки мощности, а также для объединения звуковых частот.
Танталовые электролитические
Поверхностный танталовый конденсатор
Танталовые электролитические конденсаторы выполнены в виде спеченного танталового анода с большой площадью поверхности, на котором нарастает толстый оксидный слой, а затем в качестве катода помещается электролит из диоксида марганца. Сочетание большой площади поверхности и диэлектрических свойств оксида тантала приводит к высокой объемной емкости. В результате такие конденсаторы выходят намного меньше, чем алюминиевые конденсаторы сопоставимой емкости. Как и последние, танталовые конденсаторы имеют полярность, поэтому постоянный ток должен течь ровно в одном направлении.
Его доступная емкость варьируется от 0,1 до нескольких сотен микрофарад. Они имеют гораздо более низкое сопротивление утечки и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), поэтому они используются в тестировании, приборостроении и высококачественных аудиоприложениях, где эти свойства полезны.
В случае танталовых конденсаторов особенно необходимо следить за тем, чтобы они не вышли из строя; бывает, что и в этом случае они включаются. Аморфный оксид тантала является хорошим изолятором, а в кристаллической форме становится хорошим проводником. Неправильное использование танталового конденсатора, например слишком большой пусковой ток, может привести к изменению формы диэлектрика, что приведет к увеличению тока, протекающего через него. Это правда, что репутация, связанная с пожаром, возникла из-за более ранних поколений танталовых конденсаторов, а улучшенные методы производства привели к созданию более надежных продуктов.
Способность накапливать электрические заряды характеризуется емкостью конденсатора, отсюда его обозначение на чертежах электрических цепей С (англ. Аналогично вместимость тары: чем больше вместимость тары, тем больше жидкости в нее помещается.
Свойства
Из описания следует, что для постоянного тока конденсатор является непреодолимой преградой, кроме случаев пробоя диэлектрика. В таких электрических схемах используется радиоэлемент для накопления и запасания электричества в его электродах. Изменение напряжения происходит только в случаях изменения параметров тока в цепи. Эти изменения могут считывать другие элементы схемы и реагировать на них.
В цепях синусоидального тока конденсатор ведет себя как индуктор. Он пропускает переменный ток, но отсекает постоянную составляющую, а значит, может служить отличным фильтром. Такие радиоэлектронные элементы используются в цепях обратной связи, включаются в цепи колебательных контуров и т.д.
Другое свойство заключается в том, что переменная емкость может использоваться для изменения фаз. Существуют специальные пусковые конденсаторы (рис. 5), которые применяют для запуска трехфазных электродвигателей в однофазных электрических сетях.
Рис. 5. Проводной пусковой конденсатор
Основные параметры и характеристики
Важным параметром конденсатора является его номинальная емкость. Для плоского конденсатора справедлива формула:
С = (ε*ε0*S)/d,
где ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика, S — размеры пластин (площадь пластин), d — расстояние между пластинами (пластинами).
Реальная емкость отдельных элементов обычно невелика, но можно получить конструкцию емкостью в несколько фарад, если соединить параллельно большое количество пластин. В этом случае фактическая емкость равна сумме всех емкостей пластин.
Максимальная емкость некоторых конденсаторов может достигать нескольких фарад.
Удельная емкость.
Величина, характеризующая связь между емкостью и объемом или массой радиокомпонента. Этот параметр важен в микроэлектронике, где очень важны размеры деталей.
Номинальное напряжение.
Одной из важных электрических характеристик является номинальное напряжение: значение максимальных напряжений, при которых конденсатор может работать без потери значений других своих параметров. При превышении критического значения, равного напряжению пробоя, происходит разрушение диэлектрика. Поэтому номинальное напряжение заведомо выбирается больше любой возможной максимальной амплитуды синусоидального тока в цепи конденсатора.
Есть такие характеристики, как тангенс угла потерь, температурный коэффициент емкости, сопротивление утечки, диэлектрическое поглощение и др., представляющие интерес только для ограниченных специалистов, и их параметры можно найти в специальных справочниках.
Как было сказано выше, пока конденсатор пуст, ток через него максимален. Следовательно, конденсатор начинает быстро набирать заряд. При этом светодиод, подключенный параллельно, ничего не получает. Напряжение на нем близко к нулю.
Виды и типы конденсаторов
Емкостные элементы классифицируют по типу используемого в конструкции диэлектрика.
Бумажные и металлобумажные конденсаторы
Элементы применяются в цепях с постоянным или слабо пульсирующим напряжением. Простота конструкции приводит к снижению стабильности работы на 10-25% и увеличению потерь.
В бумажных конденсаторах пластины из алюминиевой фольги отделяют бумагу. Наборы скручиваются и помещаются в коробку в форме цилиндра или прямоугольного параллелепипеда.
Устройства работают при температуре от -60…+125°С, при номинальном напряжении низковольтных устройств до 1600 В, высоковольтных — выше 1600 В и емкости до десятков мкФ.
В металлических и бумажных устройствах вместо алюминиевой фольги на диэлектрическую бумагу наносится тонкий слой металла. Это помогает производить более мелкие предметы. При незначительных поломках возможно самовосстановление диэлектрика. Металлобумажные элементы уступают бумажным элементам по сопротивлению изоляции.
Электролитические конденсаторы
Дизайн изделий напоминает бумажный. Но при изготовлении электролизеров бумагу пропитывают оксидами металлов.
В продуктах безбумажного электролита оксид осаждается на металлическом электроде. Оксиды металлов имеют одностороннюю проводимость, что делает прибор полярным.
В некоторых моделях электролизеров пластины выполнены с канавками, увеличивающими площадь поверхности электрода. Зазоры в пространстве между пластинами устраняют заливкой электролитом. Это улучшает емкостные свойства продукта.
Большая емкость электролитических устройств (сотни микрофарад) используется в фильтрах для сглаживания волн напряжения.
Алюминиевые электролитические
В устройствах этого типа футеровка анода выполнена из алюминиевой фольги. Поверхность покрыта оксидом металла, диэлектриком. Катодное покрытие представляет собой твердый или жидкий электролит, который подбирается таким образом, чтобы в процессе эксплуатации восстанавливался оксидный слой фольги. Самовосстанавливающийся диэлектрик продлевает срок службы элемента.
Конденсаторы этой конструкции требуют соблюдения полярности. При повторном включении он сломает корпус.
Устройства, внутри которых находятся встречно-последовательные полярные наборы, используются в 2-х направлениях. Емкость алюминиевых электролитических ячеек достигает нескольких тысяч микрофарад.
Танталовые электролитические
Анодный электрод таких устройств изготавливается из пористой структуры, получаемой при нагревании порошка тантала до +2000°С. Материал похож на губку. Пористость увеличивает площадь поверхности.
С помощью электрохимического оксидирования на анод наносится слой пятиокиси тантала толщиной до 100 нанометров. Твердый диэлектрик изготавливается из диоксида марганца. Готовая конструкция запрессовывается в компаунд – специальную смолу.
В чем отличие полярного и неполярного
Неполярные допускают включение конденсаторов в цепь без учета направления тока. Элементы используются в фильтрах регулируемых источников питания, усилителях высокой частоты.
Продукты Polar подключаются в соответствии с брендом. Если включить его в обратном направлении, устройство выйдет из строя или не будет нормально работать.
Полярные и неполярные конденсаторы большой и малой емкости отличаются конструкцией диэлектрика. В электролитических конденсаторах, если оксид нанести на 1 электрод или 1 грань бумаги, пленки, то элемент будет полярным.
В цепи переменного тока включают модели неполярных электролитических конденсаторов, в конструкциях которых оксид металла наносился симметрично на обе поверхности диэлектрика.
У полярных на корпусе имеется отметка положительного или отрицательного электрода.
В документации на каждый конденсатор указано максимально допустимое напряжение. Его избыток может вызвать пробой диэлектрика и взрыв конденсатора. Для электролитических конденсаторов необходимо соблюдать полярность. В противном случае электролит вытечет или снова произойдет взрыв.
Электролитический конденсатор
Следующим распространенным типом конденсаторов являются полярные электролитические конденсаторы, их изображение в электрической схеме выглядит так —
Электролитический конденсатор также можно назвать конденсатором постоянной емкости, потому что его емкость не меняется.
Но у электролитических конденсаторов есть очень важное отличие, знак (+) возле одного из электродов конденсатора говорит о том, что это полярный конденсатор и при подключении его к цепи необходимо соблюдать полярность. Положительный электрод необходимо соединить с плюсом блока питания, а отрицательный (не имеющий плюса), соответственно, с отрицательным — (обозначение отрицательного электрода применяется в случае современных конденсаторов, а положительного нет) обозначается как угодно).
Несоблюдение этого правила может привести к выходу из строя конденсатора и даже к взрыву, сопровождающемуся расширением фольги и неприятным запахом (от конденсатора, разумеется…). Электролитические конденсаторы могут иметь очень большую емкость и, следовательно, создавать довольно большой потенциал. Поэтому электролитические конденсаторы даже после отключения питания полны опасности, и при неосторожном обращении можно получить сильный удар током. Поэтому после снятия напряжения для безопасной работы с электроприбором (электронный ремонт, регулировка и т.п.) электролитический конденсатор необходимо разрядить, замкнув его электроды (это нужно делать специальной искрой.
Конденсаторы переменной емкости.
Как вы поняли из названия, переменные конденсаторы могут менять свою емкость, например, при настройке радиоприемников. Совсем недавно для настройки радиоприемников на нужную станцию, путем поворота ручки настройки приемника, применялись только конденсаторы переменной емкости, изменяющие таким образом емкость конденсатора. Переменные конденсаторы используются и по сей день в простых и недорогих моделях приемников и передатчиков. Конструкция переменного конденсатора очень проста. Конструктивно он состоит из пластин статора и ротора, пластины ротора подвижны и входят в пластины статора, не касаясь их. Диэлектриком в таком конденсаторе является воздух. Когда пластины статора входят внутрь, емкость ротора конденсатора увеличивается, когда пластины ротора выходят, емкость уменьшается –
ПРИМЕНЕНИЕ КОНДЕНСАТОРОВ
Конденсаторы широко применяются во всех областях электротехники, их применяют в различных электрических цепях.
В цепи переменного тока они могут служить емкостью. Возьмем такой пример, когда конденсатор и лампочка соединены последовательно с батареей (постоянный ток), лампочка не загорится.
Если подключить такую схему к источнику переменного тока, лампочка загорится, причем интенсивность света будет напрямую зависеть от емкости используемого конденсатора.
Благодаря этим качествам конденсаторы используются в качестве фильтров в цепях, подавляющих высокочастотные и низкочастотные помехи.
Конденсаторы применяются также в различных импульсных схемах, где требуется большой электрический заряд для накопления и быстрого сброса, в ускорителях, фотовспышках, импульсных лазерах, благодаря способности накапливать большой электрический заряд и быстро передавать его другим элементам замыкание сети с малым сопротивлением, создающее мощный импульс. Конденсаторы служат для сглаживания пульсаций при выпрямлении напряжения. Способность конденсатора сохранять заряд длительное время позволяет использовать их для хранения информации. И это только очень короткий список всего, что можно использовать с конденсатором.
Продолжая свои исследования в области электротехники, вы откроете для себя еще много интересного, в том числе работу и использование конденсаторов. Но, и этой информации вам будет достаточно, чтобы иметь общее представление и двигаться дальше.
У твердотельных моделей срок службы больше, чем у жидких электролитов, и составляет около 50 000 часов. У них меньше внутреннее сопротивление, то есть ЭПС практически не зависит от температуры, они не взрываются.
Параллельное соединение конденсаторов
Такой способ подключения является наиболее распространенным в практических приложениях, так как мощности накопителя не всегда хватает, особенно в электрических фильтрах качественных блоков питания. Параллельное соединение конденсаторов реализует сумму мощностей отдельных приводов. Это довольно легко запомнить, исходя из приведенной выше формулы, из которой видно, что с увеличением площади пластин емкость увеличивается.
Поэтому при параллельном соединении конденсаторов происходит, так сказать, увеличение площади пластин, за счет чего они могут накапливать большее количество электрических зарядов.
Здесь обсуждаются основные параметры и номиналы конденсаторов.
Еще статьи по данной теме
Подскажите, что происходит с рабочим напряжением при параллельном соединении конденсаторов? Если вы соединили детали с разным рабочим напряжением?
На конденсаторах указано МАКСИМАЛЬНОЕ рабочее напряжение.
Как правило, применяют конденсаторы с напряжением на 20-30% выше «рабочего» напряжения”.
При параллельном соединении емкость увеличивается, но напряжение остается неизменным, т.е полученный «конденсатор» рассчитан на наименьшее напряжение, используемое в соединении.
