Koja je razlika između kondenzatora i izvora struje. IV. Nazivni kapacitet i tolerancije

Spojeni na otpornik, struja i napon u krugu u bilo kojoj tački vremenskog dijagrama bit će proporcionalni jedni drugima. To znači da će krive struje i napona istovremeno dostići "vršnu" vrijednost. U ovom slučaju kažemo da su struja i napon u fazi.

Razmislite sada kako će se kondenzator ponašati u kolu naizmjenična struja.

Ako do izvora AC napon ako je kondenzator spojen, maksimalni napon na njemu će biti proporcionalan maksimalnoj struji koja teče u kolu. Međutim, vrh sinusnog vala napona neće se pojaviti u isto vrijeme kada i vrh struje.

U ovom primjeru, trenutna vrijednost struje dostiže svoju maksimalnu vrijednost četvrtinu perioda (90 el. stepeni) prije nego napon. U ovom slučaju se kaže da struja vodi napon za 90◦.

Za razliku od situacije u DC kolu, V/I vrijednost ovdje nije konstantna. Međutim, omjer V max/I max je vrlo korisna vrijednost i u elektrotehnici se naziva kapacitivnost (Xc) komponente. Pošto ova vrijednost i dalje predstavlja omjer napona i struje, tj. u fizičkom smislu, je otpor, njegova mjerna jedinica je ohm. Vrijednost Xc kondenzatora ovisi o njegovom kapacitetu (C) i frekvenciji naizmjenične struje (f).

Budući da se kondenzator u AC kolu napaja RMS naponom, u tom kolu teče ista izmjenična struja, koja je ograničena kondenzatorom. Ovo ograničenje je zbog kondenzatora.

Stoga je vrijednost struje u kolu koje ne sadrži druge komponente osim kondenzatora data alternativnom verzijom Ohmovog zakona

I RMS = U RMS / X C

Gdje je U RMS efektivna (rms) vrijednost napona. Imajte na umu da Xc zamjenjuje R u verziji Ohmovog zakona za

Sada vidimo da se kondenzator u krugu naizmjenične struje ponaša sasvim drugačije od fiksnog otpornika, pa je situacija ovdje shodno tome složenija. Kako bi se bolje razumjeli procesi koji se odvijaju u takvom lancu, korisno je uvesti takav koncept kao vektor.

Osnovna ideja vektora je ideja da se kompleksna vrijednost vremenski promjenjivog signala može predstaviti kao proizvod (koji je neovisan o vremenu) i neki složeni signal koji je funkcija vremena.

Na primjer, funkciju A cos(2πνt + θ) možemo predstaviti jednostavno kao kompleksnu konstantu A∙e jΘ.

Pošto su vektori predstavljeni veličinom (ili modulom) i uglom, oni su grafički predstavljeni strelicom (ili vektorom) koji rotira u ravni XY.

S obzirom da je napon na kondenzatoru "kašnjenje" u odnosu na struju, vektori koji ih predstavljaju nalaze se u kompleksnoj ravni kao što je prikazano na gornjoj slici. Na ovoj slici, vektori struje i napona rotiraju se u suprotnom smjeru od kretanja kazaljke na satu.

U našem primjeru, struja na kondenzatoru je posljedica njegovog periodičnog prekomjernog punjenja. Budući da kondenzator u krugu naizmjenične struje ima mogućnost povremenog akumuliranja i resetiranja električni naboj, između njega i izvora energije postoji stalna razmjena energije, koja se u elektrotehnici naziva reaktivna.

U svim radiotehnikama i elektronskih uređaja pored tranzistora i mikro krugova koriste se kondenzatori. U nekim krugovima ih je više, u drugim manje, ali praktički uopće nema elektroničkog kola bez kondenzatora.

U isto vrijeme, kondenzatori mogu imati najviše performansi različite zadatke. Prije svega, to su kapaciteti u filterima ispravljača i stabilizatora. Uz pomoć kondenzatora prenosi se signal između pojačivača, grade se nisko- i visokopropusni filteri, postavljaju vremenski intervali u vremenskim kašnjenjima i bira se frekvencija oscilacija u različitim generatorima.

Kondenzatori vode svoj pedigre iz koje je sredinom 18. veka koristio holandski naučnik Peter van Mushenbroek u svojim eksperimentima. Živio je u gradu Leidenu, pa nije teško pretpostaviti zašto se ova banka tako zvala.

U stvari, bilo je to uobičajeno staklena tegla, iznutra i izvana obložena lim folijom - staniole. Korišćen je u iste svrhe kao i savremeni aluminijum, ali tada aluminijum još nije otkriven.

Jedini izvor električne energije u to vrijeme bila je elektroforska mašina sposobna da razvije napon do nekoliko stotina kilovolti. Od nje je naplaćena Leydenska tegla. Udžbenici fizike opisuju slučaj kada je Mushenbrook ispraznio svoju konzervu kroz lanac od deset gardista koji se drže za ruke.

U to vrijeme niko nije znao da bi posljedice mogle biti tragične. Udarac se pokazao prilično osjetljivim, ali ne i smrtonosnim. Do toga nije došlo, jer je kapacitet Leyden tegle bio neznatan, impuls se pokazao vrlo kratkotrajnim, pa je snaga pražnjenja bila mala.

Kako radi kondenzator

Uređaj kondenzatora praktički se ne razlikuje od Leyden tegle: sve iste dvije ploče odvojene dielektrikom. Tako je to na modernom električni dijagrami prikazani su kondenzatori. Slika 1 prikazuje šematski uređaj ravni kondenzator i formulu za njegovo izračunavanje.

Slika 1. Uređaj ravnog kondenzatora

Ovdje je S površina ploča kvadratnih metara, d - udaljenost između ploča u metrima, C - kapacitet u faradima, ε - dielektrična konstanta okruženje. Sve količine uključene u formulu su naznačene u SI sistemu. Ova formula vrijedi za najjednostavniji ravni kondenzator: možete jednostavno postaviti dva metalne ploče iz čega se izvlače zaključci. Vazduh može poslužiti kao dielektrik.

Iz ove formule može se razumjeti da je kapacitet kondenzatora veći, što je veća površina ploča i što je udaljenost između njih manja. Za kondenzatore različite geometrije, formula može biti drugačija, na primjer, za kapacitet jednog vodiča ili. Ali ovisnost kapacitivnosti o površini ploča i udaljenosti između njih je ista kao i kod ravnog kondenzatora: što je veća površina i što je udaljenost manja, to je kapacitet veći.

U stvari, ploče nisu uvijek ravne. Za mnoge kondenzatore, kao što su metalno-papirni, ploče su aluminijska folija smotani zajedno sa papirnim dielektrikom u gustu kuglu, u obliku metalnog kućišta.

Za povećanje električne čvrstoće tanki kondenzatorski papir impregnira se izolacijskim spojevima, najčešće transformatorsko ulje. Ovaj dizajn vam omogućava da napravite kondenzatore kapaciteta do nekoliko stotina mikrofarada. Kondenzatori sa drugim dielektricima su raspoređeni na približno isti način.

Formula ne sadrži nikakva ograničenja u pogledu površine ploča S i udaljenosti između ploča d. Ako pretpostavimo da se ploče mogu razdvojiti vrlo daleko, a da se u isto vrijeme površina ploča može učiniti sasvim neznatnom, onda će neki kapacitet, iako mali, ipak ostati. Takvo razmišljanje sugerira da čak i samo dva vodiča smještena jedan pored drugog imaju električni kapacitet.

Ova se okolnost naširoko koristi u visokofrekventnoj tehnologiji: u nekim slučajevima kondenzatori se izrađuju jednostavno u obliku staza štampano ožičenje, ili čak samo dvije žice upletene zajedno u polietilensku izolaciju. Obični žičani rezanci ili kabl takođe imaju kapacitivnost, a sa povećanjem dužine ona se povećava.

Osim kapacitivnosti C, svaki kabel ima i otpor R. Oba fizička svojstva raspoređeni po dužini kabla, a pri odašiljanju impulsnih signala rade kao integrirajuće RC kolo, prikazano na slici 2.

Slika 2.

Na slici je sve jednostavno: ovdje je krug, ovdje je ulazni signal, a ovdje je na izlazu. Impuls je izobličen do neprepoznatljivosti, ali to je učinjeno namjerno, zbog čega je sklop sastavljen. U međuvremenu, govorimo o uticaju kapacitivnosti kabla na impulsni signal. Umjesto impulsa, takvo "zvono" pojavit će se na drugom kraju kabela, a ako je puls kratak, onda možda uopće neće doći do drugog kraja kabela, čak može nestati.

istorijska činjenica

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

Drugi pokušaj učinjen je 1865. Do tada je engleski fizičar W. Thompson razvio teoriju prijenosa podataka preko dugih linija. U svjetlu ove teorije, polaganje kablova se pokazalo uspješnijim, signali su primljeni.

Za ovaj naučni podvig, kraljica Viktorija je naučniku dodelila titulu viteza i titulu Lorda Kelvina. Tako se to zvalo gradić na obali Irske, gdje je počelo polaganje kablova. Ali ovo je samo riječ, a sada se vratimo na posljednje slovo formule, naime, na permitivnost medija ε.

Malo o dielektricima

Ovo ε je u nazivniku formule, pa će njegovo povećanje dovesti do povećanja kapaciteta. Za većinu korištenih dielektrika, kao što su zrak, lavsan, polietilen, fluoroplast, ova konstanta je praktički ista kao i kod vakuuma. Ali u isto vrijeme, postoje mnoge tvari čija je dielektrična konstanta mnogo veća. Ako vazdušni kondenzator ulijte aceton ili alkohol, tada će se njegov kapacitet povećati 15 ... 20 puta.

Ali takve tvari, osim visokog ε, imaju i prilično visoku vodljivost, tako da će biti loše da takav kondenzator zadrži naboj, brzo će se isprazniti kroz sebe. Ova štetna pojava naziva se struja curenja. Stoga se za dielektrike razvijaju specijalni materijali, koji dozvoljavaju na visokim specifični kapacitet kondenzatori da obezbede prihvatljive struje curenja. Ovo objašnjava takvu raznolikost tipova i tipova kondenzatora, od kojih je svaki dizajniran za specifične uvjete.

najveća specifični kapacitet(omjer kapaciteta / zapremine) imaju . Kapacitet "elektrolita" dostiže i do 100.000 mikrofarada, radni napon do 600V. Takvi kondenzatori dobro rade samo na niskim frekvencijama, najčešće u filterima napajanja. Elektrolitički kondenzatori su povezani s obzirom na polaritet.

Elektrode u takvim kondenzatorima su tanki film od metalnog oksida, pa se ovi kondenzatori često nazivaju oksidnim. Tanak sloj zrak između takvih elektroda nije vrlo pouzdan izolator, stoga se između oksidnih ploča uvodi sloj elektrolita. Najčešće su to koncentrirani rastvori kiselina ili lužina.

Slika 3 prikazuje jedan od ovih kondenzatora.

Slika 3. Elektrolitički kondenzator

Da bi se procijenila veličina kondenzatora, pored njega je snimljena jednostavna fotografija. Kutija šibica. Osim dovoljno velikog kapaciteta na slici, možete vidjeti i postotak tolerancije: ni više ni manje od 70% nominalnog.

U onim danima kada su računari bili veliki i zvali su se računari, takvi kondenzatori su bili u disk jedinicama (u modernom HDD-u). Informacijski kapacitet takvih drajvova sada može izazvati samo osmijeh: dva diska promjera 350 mm pohranila su 5 megabajta informacija, a sam uređaj težio je 54 kg.

Glavna svrha superkondenzatora prikazanih na slici bila je uklanjanje magnetnih glava radni prostor disk tokom iznenadnog nestanka struje. Takvi kondenzatori mogu pohraniti naboj nekoliko godina, što je testirano u praksi.

U nastavku s elektrolitskim kondenzatorima, bit će predloženo da se uradi nekoliko jednostavnih eksperimenata kako bi se razumjelo šta kondenzator može učiniti.

Za rad u AC krugovima, nepolarni elektrolitički kondenzatori, to je samo dobiti ih iz nekog razloga vrlo teško. Da bi se nekako zaobišao ovaj problem, uobičajeni polarni "elektroliti" se uključuju u kontra-seriju: plus-minus-minus-plus.

Ako je polarni elektrolitički kondenzator spojen na krug izmjenične struje, tada će se najprije zagrijati, a zatim će se čuti eksplozija. Domaći stari kondenzatori razbacani na sve strane, dok uvozni imaju specijalni uređaj kako biste izbjegli glasne pucnje. Ovo je, u pravilu, ili poprečni zarez na dnu kondenzatora, ili rupa s gumenim čepom koja se tamo nalazi.

Zaista ne vole elektrolitičke kondenzatore povećanog napona, čak i ako se poštuje polaritet. Stoga nikada nije potrebno stavljati "elektrolite" u kolo gdje se očekuje napon blizu maksimalnog napona za dati kondenzator.

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

Kondenzator može skladištiti energiju

Pomoći će razumjeti ovu izjavu. jednostavno kolo prikazano na slici 4.

Slika 4. Kolo sa kondenzatorom

šef glumac Ovaj krug je elektrolitički kondenzator C dovoljno velikog kapaciteta tako da se procesi punjenja i pražnjenja odvijaju sporo, pa čak i vrlo jasno. To omogućava vizualno promatranje rada kruga pomoću konvencionalne sijalice iz baterijske lampe. Ovi lampioni su odavno ustupili mjesto modernim LED lampama, ali sijalice za njih se još uvijek prodaju. Stoga, prikupite šemu i postupite jednostavni eksperimenti veoma jednostavno.

Možda će neko reći: „Zašto? Uostalom, sve je očigledno, a ako pročitate i opis ... ". Čini se da se tu nema šta raspravljati, ali bilo šta, čak i najviše jednostavna stvar ostaje u glavi dugo vremena ako je njegovo razumevanje došlo kroz ruke.

Dakle, shema je sastavljena. Kako to radi?

U položaju prekidača SA prikazanom na dijagramu, kondenzator C se puni iz izvora napajanja GB preko otpornika R u kolu: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. Struja punjenja na dijagramu je prikazana strelicom sa indeksom iz. Proces punjenja kondenzatora prikazan je na slici 5.

Slika 5. Proces punjenja kondenzatora

Slika pokazuje da napon na kondenzatoru raste duž zakrivljene linije, u matematici koja se naziva eksponencijalna. Struja punjenja direktno odražava napon punjenja. Kako napon na kondenzatoru raste, struja punjenja postaje manja. I samo u početnom trenutku odgovara formuli prikazanoj na slici.

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

Vremenska konstanta "tau" τ = R*C

Ova formula jednostavno umnožava otpor i kapacitivnost serijski povezanih otpornika i kondenzatora. Ako, ne zanemarujući SI sistem, zamijenimo otpor u Ohmima, kapacitivnost u Faradima, tada će rezultat biti u sekundama. Ovo je vrijeme potrebno da se kondenzator napuni do 36,8% napona napajanja. U skladu s tim, za punjenje do gotovo 100%, bit će potrebno vrijeme od 5 * τ.

Često, zanemarujući SI sistem, u formulu zamjenjuju otpor u omima, a kapacitet u mikrofaradima, tada će vrijeme biti u mikrosekundama. U našem slučaju, zgodnije je dobiti rezultat u sekundama, za što samo trebate pomnožiti mikrosekunde sa milion, ili, jednostavnije, pomaknuti zarez šest cifara ulijevo.

Za kolo prikazano na slici 4, sa kapacitivnošću kondenzatora od 2000uF i otpornikom od 500Ω, vremenska konstanta će biti τ = R*C = 500 * 2000 = 1.000.000 mikrosekundi, ili tačno jedna sekunda. Stoga ćete morati pričekati otprilike 5 sekundi dok se kondenzator potpuno ne napuni.

Ako se nakon navedenog vremena prekidač SA pomakne u desnu poziciju, tada će se kondenzator C isprazniti kroz sijalicu EL. U ovom trenutku će doći do kratkog bljeska, kondenzator će se isprazniti i svjetlo će se ugasiti. Smjer pražnjenja kondenzatora prikazan je strelicom sa indeksom ip. Vrijeme pražnjenja je također određeno vremenskom konstantom τ. Grafikon pražnjenja prikazan je na slici 6.

Slika 6. Grafikon pražnjenja kondenzatora

Kondenzator ne propušta jednosmjernu struju

Još jednostavnija shema, prikazana na slici 7, pomoći će da se potvrdi ova izjava.

Slika 7. Dijagram sa kondenzatorom u DC kolu

Ako je prekidač SA zatvoren, uslijedit će kratki bljesak sijalice, što ukazuje da je kondenzator C napunjen kroz sijalicu. Ovdje je također prikazan graf punjenja: u trenutku zatvaranja prekidača, struja je maksimalna, kako se kondenzator puni, ona se smanjuje i nakon nekog vremena potpuno prestaje.

Ako je kondenzator dobra kvaliteta, tj. sa malom strujom curenja (samopražnjenje), ponovno zatvaranje prekidača neće uzrokovati bljesak. Da biste dobili još jedan bljesak, kondenzator će se morati isprazniti.

Kondenzator u filterima za napajanje

Kondenzator se po pravilu postavlja iza ispravljača. Najčešće se ispravljači izrađuju punovalni. Najčešći ispravljački krugovi prikazani su na slici 8.

Slika 8. Ispravljačka kola

Polutalasni ispravljači se također često koriste, po pravilu, u slučajevima kada je snaga opterećenja zanemarljiva. Najvredniji kvalitet takvih ispravljača je jednostavnost: samo jedna dioda i namotaj transformatora.

Za punovalni ispravljač, kapacitivnost filtarskog kondenzatora može se izračunati po formuli

C \u003d 1000000 * Po / 2 * U * f * dU, gdje je C kapacitivnost kondenzatora μF, Po je snaga opterećenja W, U je napon na izlazu ispravljača V, f je frekvencija naizmjeničnog napona Hz, dU je amplituda talasanja V.

Veliki broj u brojiocu od 1000000 pretvara kapacitivnost iz sistemskih farada u mikrofarade. Dva u nazivniku je broj poluperioda ispravljača: za poluval, jedan će se pojaviti na njegovom mjestu

C \u003d 1000000 * Po / U * f * dU,

a za trofazni ispravljač formula će imati oblik C \u003d 1000000 * Po / 3 * U * f * dU.

Superkondenzator - jonistor

IN U poslednje vreme pojavio nova klasa elektrolitički kondenzatori, tzv. Po svojim svojstvima sličan je bateriji, međutim, uz nekoliko ograničenja.

Ionistor punjenje do nazivni napon javlja se u kratkom vremenu, bukvalno za nekoliko minuta, pa ga je preporučljivo koristiti kao rezervni izvor napajanja. Zapravo, jonistor je nepolarni uređaj, jedino što određuje njegov polaritet je punjenje u tvornici. Kako se ovaj polaritet u budućnosti ne bi zbunio, označen je znakom +.

Važnu ulogu igraju uslovi rada jonistora. Na temperaturi od 70˚C pri naponu od 0,8 od nominalnog, garantovana trajnost nije veća od 500 sati. Ako uređaj radi na naponu od 0,6 nominalnog napona, a temperatura ne prelazi 40 stepeni, tada je ispravan rad moguć 40.000 sati ili više.

Najčešća upotreba jonistora je u rezervnim izvorima napajanja. U osnovi, to su memorijski čipovi ili Digitalni sat. U ovom slučaju, glavni parametar jonistora je mala struja curenja, njegovo samopražnjenje.

Prilično obećavajuća je upotreba jonistora u kombinaciji sa solarni paneli. Takođe utiče na nekritičnost za stanje punjenja i na praktično neograničen broj ciklusa punjenja-pražnjenja. Još jedno vrijedno svojstvo je da jonistor ne zahtijeva održavanje.

Do sada je bilo moguće reći kako i gdje rade elektrolitski kondenzatori, štoviše, uglavnom u DC kolima. O radu kondenzatora u krugovima naizmjenične struje raspravljat će se u drugom članku -.