§52. Конденсаторы, их назначение и устройство

Данный элемент применяется практически в любых электронных приборах, поэтому, чтобы понять, в чем назначение конденсаторов, необходимо разобраться в их устройстве и принципах функционирования. Конденсатором называется одна из составных частей электрической цепи, у которой имеются две проводящие обкладки (одна обладает положительным зарядом, а другая – отрицательным). Чтобы исключить саморазрядку устройства, между обкладками помещают специальное вещество – диэлектрик, который препятствует перетоку заряда.

Классификация устройств

Прежде, чем ответить на вопрос, для чего нужен конденсатор, следует разобраться, какие они бывают. Конденсаторы разделяются по следующим признакам:

• Предназначение и выполняемые функции;
• Рабочие условия;
• Тип вещества, разделяющего обкладки.

Конденсаторы активно используются в цепях, где необходима их способность копить и хранить электрический заряд (требуется наличие емкостного устройства). Для этого внутри него установлены две обкладки с разными знаками заряда. Между ними расположено вещество, препятствующее их соприкосновению и разрядке. В большинстве случаев в качестве диэлектрика используется тантал или алюминий, но могут применяться и керамические материалы, слюда или полистирол.

Основным достоинством алюминиевых устройств является их более низкая, по сравнению с танталовыми, стоимость, а также более широкая сфера применения. Вместе с тем, танталовые аналоги более эффективны в использовании и обладают более высокими техническими характеристиками, поэтому при выборе следует учитывать не только фактор цены.

Дополнительная информация. Конденсаторы из тантала отличаются повышенной надежностью, у них широкий рабочий диапазон температур, что позволяет эксплуатировать их практически в любых условиях. Наиболее широкое применение они нашли в электронике и сопутствующих отраслях промышленности, поскольку обладают большой емкостью и компактными габаритами. К недостаткам устройств данного типа специалисты относят их более высокую цену и чувствительность к колебаниям тока и напряжения.

Силовые элементы применяются чаще всего в цепях с высоким напряжением. Специальная конструкция позволяет обеспечивать большую емкость, а значит, они могут использоваться для стабилизации обеспечения электричеством по линиям электропередач (компенсируют потери энергии). Кроме того, они активно используются для повышения мощности промышленных электроустановок. Диэлектрик в таком устройстве – это пропитанная изоляционным маслом металлизированная пропиленовая пленка.

Самыми широко используемыми являются керамические. Их емкость может варьироваться в значительных пределах – от 1 пикофарада до 0,1 микрофарада. Для предотвращения саморазряда применяется керамика, а в качестве преимущества специалисты отмечают доступную цену, широкие функциональные возможности, высокий уровень надежности и низкий –потерь.

Несмотря на свою дороговизну, на практике применяются серебряно-слюдяные конденсаторы. Они работают крайне стабильно, поддерживают высокую емкость, их корпус полностью герметичен. Но широкому распространению мешает высокая цена.

Применяются и бумажные или металлобумажные элементы. Их обкладка изготовлена из алюминиевой фольги, а в качестве диэлектрика используется бумага, пропитанная специальным составом.

Принцип функционирования

Основная причина, по которой описываемый элемент включается в электрическую схему, состоит в том, чтобы копить заряд в периоды повышенного напряжения и обеспечивать питание цепи в периоды низкого.

Принцип работы конденсатора заключается в следующем. Когда электрический прибор подключен к сети питания, конденсатор заряжается. На одной его пластине накапливаются электроны (частицы с отрицательным зарядом), а на другой – ионы, которые заряжены положительно. Соприкосновению их мешает диэлектрик. Такое устройство конденсатора позволяет накопить заряд. Ведь, как только прибор подключается к источнику тока, напряжение в цепи равно нулю. Затем, по мере наполнения зарядами, напряжение становится равным тому, которое подается от источника.

После того, как прибор отключается от розетки или батареи, происходит разряд конденсатора. Нагрузка в электрической цепи сохраняется, для этого прибору нужны напряжение и ток, который передает устройство. Необходимость питания прибора заставляет электроны в конденсаторе двигаться к ионам, образуется ток, который передается к другим элементам.

Возможное применение устройств

Конденсаторы служат решению самых разнообразных задач. В частности, они активно используются при хранении аналоговых и цифровых данных, часто устанавливаются в телемеханических устройствах для регулирования сигналов в соответствующем оборудовании, что сохраняет его от различных повреждений и проблем.

Широко распространено применение конденсаторов в источниках бесперебойного питания, что позволяет сглаживать напряжение при подключении к приборам различного оборудования (компьютеры, оргтехника и так далее).

Обратите внимание! По такому же принципу устроен источник бесперебойного питания. Во время подключения к электрической цепи он накапливает заряд, который потом можно использовать в течение короткого времени, что делает возможным выключение техники без каких-либо сбоев, а это особенно актуально в современных условиях, когда информация имеет крайне большое значение.

Описываемые элементы нашли свое применение в различных преобразователях напряжения. В частности, их можно использовать для увеличения напряжения в сети, величина которого будет превышать входное значение.

Важно! Эксплуатация конденсатора в качестве временного источника питания имеет некоторые ограничения. Это объясняется наличием у диэлектрика хоть небольшой, но проводимости. Поэтому устройство со временем постепенно разряжается, следовательно, при необходимости иметь стабильный источник тока лучше воспользоваться аккумуляторной батареей.

Наличие возможности накопить заряд, а потом быстро его направить в сеть позволяет сделать устройство незаменимым элементом при изготовлении лазеров, вспышек для фотоаппаратов и других подобных приборов.

Таким образом, без использования описываемого устройства практически невозможно представить современную электронную и электротехническую промышленность. Благодаря пониманию того, как работает конденсатор, его активно применяют при производстве различных устройств, как промышленного, так и бытового назначения. Он помогает обеспечить безопасность электрической цепи и увеличивает срок службы различных приборов.

Видео

Электрический конденсатор - это устройство, которое может накапливать заряд и энергию электрического поля. В основном он состоит из пары проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика. Толщина диэлектрика всегда намного меньше, чем размер обкладок. На электрических схемах замещения конденсатор обозначается 2-мя вертикальными параллельными отрезками (II).

Основные величины и единицы измерения

Существует несколько основных величин, определяющих конденсатор. Одна из них — это его емкость (латинская буква С), а вторая - рабочее напряжение (латинская U). Электроемкость (или же просто емкость) в системе СИ измеряется в фарадах (Ф). Причем как единица емкости 1 фарад - это очень много - на практике почти не применяется. Например, электрический заряд планеты Земля составляет всего 710 микрофарад. Поэтому в большинстве случаев из-меряется в производных от фарада величинах: в пикофарадах (пФ) при очень маленьком значении емкости (1 пФ=1/10 6 мкФ), в микрофарадах (мкФ) при достаточно большом ее значении (1 мкФ = 1/10 6 Ф). Для того чтобы рассчитать электроемкость, необходимо разделить величину заряда, накопленного между обкладками, на модуль разницы потенциалов между ними (напряжение на конденсаторе). Заряд конденсатора в данном случае - это заряд, накапливающийся на одной из обкладок рассматриваемого устройства. На 2-х проводниках устройства они одинаковы по модулю, но отличаются по знаку, поэтому сумма их всегда равняется нулю. Заряд конденсатора измеряется в кулонах (Кл), а обозначается буквой Q.

Напряжение на электроприборе

Одним из самых важных параметров рассматриваемого нами устройства является пробивное напряжение — разность значений потенциалов двух проводников конденсатора, приводящая к электрическому пробою слоя диэлектрика. Максимальное напряжение, при котором не происходит пробоя устройства, определяется формой проводников, свойствами диэлектрика и его толщиной. Условия работы, при которых напряжение на обкладках электроприбора близко к пробивному, недопустимы. Нормальное рабочее напряжение на конденсаторе меньше пробивного в несколько раз (в два-три раза). Поэтому при выборе следует обратить внимание на номинальное напряжение и емкость. В большинстве случаев значение этих величин указывается на самом устройстве или в паспорте. Включение конденсатора в сеть на напряжение, превышающее номинальное, грозит его пробоем, а отклонение значения емкости от номинального может привести к выбросу в сеть высших гармоник и перегреву устройства.

Внешний вид конденсаторов

Конструкция конденсато-ров может быть самой разнообразной. Она зависит от значения электроемкости устройства и его назначения. На параметры рассматриваемого устройства не должны влиять внешние факторы, поэтому обкладки имеют такую форму, при которой электрическое поле, созданное электрическими зарядами, сосредотачивается в небольшом зазоре между проводниками конденсатора. Поэтому они могут состоять из двух концентрических сфер, двух плоских пластин или двух коаксиальных цилиндров. Следовательно, конденсаторы могут быть цилиндрическими, сферическими и плоскими в зависимости от формы проводников.

Постоянные конденсаторы

По характеру изменения электроёмкости конденсаторы делят на устройства с постоянной, переменной ёмкостью или подстроечные. Разберем подробнее каждый из упомянутых типов. Приборы, чья ёмкость не меняется в процессе работы, то есть она является постоянной (значение емкости все-таки может колебаться в допустимых пределах в зависимости от температуры),- это постоянные конденсаторы. Существуют также электроприборы, меняющие свою электроемкость в процессе работы, они называются переменными.

От чего зависит С в конденсаторе

Электроемкость зависит от площади поверхности его проводников и расстояния между ними. Есть несколько способов изменения этих параметров. Рассмотрим конденсатор, который состоит из двух видов пластин: подвижных и неподвижных. Подвижные пластины перемещаются относительно неподвижных, в результате чего изменяется электроемкость конденсатора. Переменные аналоги используются для настроек аналоговых устройств. Причем емкость можно изменять в процессе работы. Подстроечные конденсаторы в большинстве случаев используют для настройки заводской аппаратуры, например для подбора емкости эмпирическим путем при невозможности расчета.

Конденсатор в цепи

Рассматриваемый прибор в цепи постоянного тока проводит ток только в момент включения его в сеть (при этом происходит заряд или перезаряд устройства до напряжения источника). Как только конденсатор полностью заряжается, ток через него не идет. При включении устройства в цепь с переменным током процессы разрядки и зарядки его чередуются друг с другом. Период их чередования равен приложенного синусоидального напряжения.

Характеристики конденсаторов

Конденсатор в зависимости от состояния электролита и материала, из которого он состоит, может быть сухим, жидкостным, оксидно-полупроводниковым, оксидно-металлическим. Жидкостные конденсаторы хорошо охлаждаются, эти устройства могут работать при значительных нагрузках и обладают таким важным свойством, как самовосстановление диэлектрика при пробое. У рассматриваемых электрических устройств сухого типа достаточно простая конструкция, немного меньше потери напряжения и ток утечки. На данный момент именно сухие приборы пользуются наибольшей популярностью. Основным достоинством электролитных конденсаторов являются дешевизна, компактные габариты и большая электроемкость. Оксидные аналоги - полярные (неверное подключение приводит к пробою).

Как подключается

Подключение конденсатора в цепь с постоянным током происходит следующим образом: плюс (анод) источника тока соединяется с электродом, который покрыт окисной пленкой. В случае несоблюдения этого требования может произойти Именно по этой причине жидкостные конденсаторы нужно подключать в цепь с переменным источником тока, соединяя встречно последовательно две одинаковые секции. Или нанести оксидный слой на оба электрода. Таким образом, получается неполярный электроприбор, работающий в сетях как с постоянным, так и с Но и в том и в другом случаях результирующая емкость становится в два раза меньше. Униполярные электрические конденсаторы обладают значительными размерами, зато могут включаться в цепи с переменным током.

Основное применение конденсаторов

Слово «конденсатор» можно услышать от работников различных промышленных предприятий и проектных институтов. Разобравшись с принципом работы, характеристиками и физическими процессами, выясним, зачем нужны конденсаторы, например, в системах энергоснабжения? В этих системах батареи широко применяют при строительстве и реконструкции на промышленных предприятиях для компенсации реактивной мощности КРМ (разгрузки сети от нежелательных ее перетоков), что позволяет уменьшить расходы на электроэнергию, сэкономить на кабельной продукции и доставить потребителю электроэнергию лучшего качества. Оптимальный выбор мощности, способа и места подключения источников (Q) в сетях электроэнергетических систем (ЭЭС) оказывает существенное влияние на экономические и технические показатели эффективности работы ЭЭС. Существуют два типа КРМ: поперечная и продольная. При поперечной компенсации батареи конденсаторов подключаются на шины подстанции параллельно нагрузке и называются шунтовыми (ШБК). При продольной компенсации батареи включают в рассечку ЛЭП и называют УПК (устройства продольной компенсации). Батареи состоят из отдельных приборов, которые могут соединяться различными способами: конденсаторы последовательного подключения или параллельного. При увеличении количества последовательно включенных устройств увеличивается напряжение. УПК также используются для выравнивания нагрузок по фазам, повышения производительности и эффективности дуговых и рудотермических печей (при включении УПК через специальные трансформаторы).

В бардачке каждого автолюбителя можно найти пару-тройку этих электроприборов. Зачем нужны конденсаторы в автомобиле? Там они используются в усиливающей аппаратуре акустических систем для качественного воспроизведения звука.

Люди, далекие от техники, даже не задумываются, что в конструкции современных электроприборов стоят различные элементы, благодаря которым и работает эта техника. Они даже не понимают о чем идет речь, когда окружающие их знатоки ведут разговоры о технике. Но иногда любопытство берет верх, и они начинают задавать вопросы. Например, зачем нужен конденсатор?

Чтобы удовлетворить любопытство, постараемся объяснить его функции и выявить, в каких областях конденсаторы нашли свое применение.

Что такое конденсатор?

Конденсатор, по-народному – «кондер», устройство, которое используется в электрических цепях для накопления электрической энергии. Конденсаторы применяются при фильтрации помех, в сглаживающих фильтрах в источниках электропитания, цепях межкаскадовых связей и во многих других областях радиотехники.

Конструкция и средства использующихся материалов определяют электрическую характеристику «кондера». В устройство конденсатора входят обкладки (или пластины), находящиеся друг перед другом. Делают их из токопроводящего и изолирующего материала. В качестве изоляции могут выступать слюда или бумага.

Емкость у конденсатора может быть разной. Она увеличивается в размерах пропорционально площади обкладок, а ее уменьшение происходит в зависимости от расстояния между ними. Очень важным является рабочее напряжения конденсатора. Если превысить максимальное напряжение, конденсатор может сломаться из-за пробоя диэлектрика.

Как все начиналось

Принцип изготовления этого устройства был известен довольно давно, благодаря немецкому физику Эвальду Юргену фон Клейсту и его нидерландскому коллеге Питеру ван Мушенбруку. Именно они были создателями первого в мире конденсатора. Их детище было значительно примитивнее современных собратьев, ведь диэлектриком выступали стенки банки из стекла. В наши дни технологии намного совершеннее, да и создание новых материалов весьма улучшило конструкцию конденсатора.

Гениальный электротехник Павел Яблочков также смог достичь выдающихся результатов в разработке конденсаторов и в их использовании. На эту тему он создал множество публикаций. Павел Николаевич прекрасно понимал зачем нужен конденсатор , поэтому одним из первых включил «кондер» в цепь перемежающегося тока. Это имело огромное значение для развития и становления электро- и радиотехники.

В наши дни существует многообразие конденсаторов, но в основе всех их лежат две металлические пластины, которые находятся в изоляции друг от друга.

Где применяются конденсаторы

Конденсаторы окружают нас во многих областях, занимая особую нишу в электронике.

1. Телевизионная или радиотехническая аппаратура без конденсаторов не обойдется. Их применяют для фильтров-выпрямителей, создания и настройки колебательных контуров, разделения цепей с разной частотой и многого другого.
2. Радиолокационная техника использует их, чтобы получить импульсы большей мощности, а также для формирования импульсов.
3. Для искрогашения в контактах, разделения токов разной частоты, разделения цепей постоянного и переменного токов «кондеры» нужны в телеграфии и телефонии.
4. В телемеханике и автоматике с их помощью создают датчики на емкостном принципе. Здесь также нужно искрогашение в контактах, разделение цепей токов и т.д.
5. В специальных устройствах для запоминания, что используются в счетно-решающей технике.
6. Для получения мощных импульсов в лазерной технике.

Современная электроэнергетика тоже использует во всю это изобретение: для подключения к линии передачи нужной аппаратуры, чтобы повысить коэффициент мощности, для регулировки напряжения в распределительных сетях, чтобы защитить от перенапряжения, для электрической сварки, подавления радиопомех и много другого.

Зачем нужен конденсатор еще? Для металлопромышленности, автотракторной и медицинской техники, для использования атомной энергии, в фотографической технике для получения световой вспышки и аэрофотосъемки. Даже добывающая промышленность не обходится без конденсаторов. Одни конденсаторы могут быть совсем крошечными и весить меньше одного грамма, другие их «сотоварищи» поражают весом в несколько тонн и высотой более двух метров.

Огромное разнообразие типов конденсаторов дало возможность применять их в различных сферах деятельности, поэтому без них нам никак не обойтись.

Они используются в таймерах, поскольку резисторы обеспечивают медленную зарядку и разрядку. Катушки индуктивности вместе с конденсаторами присутствуют в схемах колебательных контуров устройств приема-передачи. В различных конструкциях блоков питания они эффективно сглаживают пульсации напряжения после процесса выпрямления.

Через конденсаторы легко проходит , а задерживается. Это позволяет изготавливать фильтры разного назначения. В электрических и радиоэлектронных схемах, конденсаторы способствуют замедлению таких процессов, как увеличение или падение напряжения.

Конденсатор: принцип действия

Основной принцип работы конденсатора заключается в его способности к сохранению электрического заряда. То есть, он может в нужный момент заряжаться или разряжаться. Это свойство наиболее ярко проявляется при параллельном или последовательном соединении конденсатора с катушкой индуктивности в схемах передатчиков или радиоприемников.

Такое соединение позволяет получить периодическую смену полярности на пластинах. Вначале, производится зарядка первой пластины положительным зарядом, а, затем, вторая пластина принимает отрицательный заряд. После полной разрядки, происходит зарядка в обратном направлении. Вместо положительного заряда, пластина получает отрицательный заряд и, наоборот, отрицательная пластина заряжается положительно. Такая смена полярности происходит после каждого заряда и разряда. Данный принцип работы положен в основу генераторов, установленных в аналоговых приемопередающих устройствах.

Основная характеристика - электрическая емкость

Рассматривая принцип работы конденсатора, не следует забывать о такой его характеристике, как электрическая емкость. Прежде всего, она заключается в способности конденсатора к сохранению электрического заряда. То есть, чем выше емкость, тем большее значение заряда может быть сохранено.

Измерение электрической емкости конденсатора производится в фарадах и обозначается буквой F. Однако, одна фарада является очень большой емкостью, поэтому, на практике используются единицы меньшего значения, такие как микро-, нано- и пикофарады.

Представляет определенную сложность, в связи с различными вариантами маркировок.