Электрический конденсатор.
Что такое конденсатор?? Конденсатор (от лат. condense «уплотнять», «сгущать») двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. Конденсатор (от лат. condense «уплотнять», «сгущать») двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.лат. двухполюсникёмкости проводимостьюдиэлектрикомлат. двухполюсникёмкости проводимостьюдиэлектриком
История создания. В 1745 году в Лейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и голландский физик Питер ван Мушенбрук создали первый конденсатор «лейденскую банку». В 1745 году в Лейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и голландский физик Питер ван Мушенбрук создали первый конденсатор «лейденскую банку».1745 годуЛейденеПитер ван Мушенбруклейденскую банку1745 годуЛейденеПитер ван Мушенбруклейденскую банку
Свойства конденсатора Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течёт, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора, замыкаясь так называемым током смещения. Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течёт, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора, замыкаясь так называемым током смещения.цепи постоянного токапеременного токатоком смещенияцепи постоянного токапеременного токатоком смещения В терминах метода комплексных амплитуд конденсатор обладает комплексным импедансом В терминах метода комплексных амплитуд конденсатор обладает комплексным импедансомметода комплексных амплитуд импедансомметода комплексных амплитуд импедансом,
Резонансная частота конденсатора равна Резонансная частота конденсатора равна Резонансная частота Резонансная частота При конденсатор в цепи переменного тока ведёт себя как катушка индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах, на которых его сопротивление носит ёмкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 23 раза ниже резонансной. При конденсатор в цепи переменного тока ведёт себя как катушка индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах, на которых его сопротивление носит ёмкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 23 раза ниже резонансной.катушка индуктивностикатушка индуктивности Конденсатор может накапливать электрическую энергию. Энергия заряженного конденсатора: Конденсатор может накапливать электрическую энергию. Энергия заряженного конденсатора:электрическую энергиюэлектрическую энергию Где U напряжение (разность потенциалов), до которого заряжен конденсатор. Где U напряжение (разность потенциалов), до которого заряжен конденсатор.напряжение
Классификация конденсаторов. Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность ёмкости, величину потерь и др. Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность ёмкости, величину потерь и др. По виду диэлектрика различают: По виду диэлектрика различают: Конденсаторы вакуумные (обкладки без диэлектрика находятся в вакууме). Конденсаторы вакуумные (обкладки без диэлектрика находятся в вакууме). Конденсаторы с газообразным диэлектриком. Конденсаторы с газообразным диэлектриком. Конденсаторы с жидким диэлектриком. Конденсаторы с жидким диэлектриком. Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок. Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок. Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок. Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок. Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов прежде всего своей огромной удельной ёмкостью! В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металле, являющийся анодом. Вторая обкладка (катод) это или электролит (в электролитических конденсаторах) или слой полупроводника (в оксидно- полупроводниковых), нанесенный непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги. Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов прежде всего своей огромной удельной ёмкостью! В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металле, являющийся анодом. Вторая обкладка (катод) это или электролит (в электролитических конденсаторах) или слой полупроводника (в оксидно- полупроводниковых), нанесенный непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги.электролит
Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения своей ёмкости: Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения своей ёмкости: Постоянные конденсаторы основной класс конденсаторов, не меняющие своей ёмкости (кроме как в течение срока службы). Постоянные конденсаторы основной класс конденсаторов, не меняющие своей ёмкости (кроме как в течение срока службы). Переменные конденсаторы конденсаторы, которые допускают изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление ёмкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды) и температурой (термоконденсаторы). Применяются, например, в радиоприемниках для перестройки частоты резонансного контура. Переменные конденсаторы конденсаторы, которые допускают изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление ёмкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды) и температурой (термоконденсаторы). Применяются, например, в радиоприемниках для перестройки частоты резонансного контура. Подстроечные конденсаторы конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение ёмкости. Подстроечные конденсаторы конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение ёмкости. В зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят наиболее распространенные низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляюшие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы. В зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят наиболее распространенные низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляюшие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы.
Обозначение на схемах. В России условные графические обозначения конденсаторов на схемах должны соответствовать ГОСТ [2] либо международному стандарту IEEE : В России условные графические обозначения конденсаторов на схемах должны соответствовать ГОСТ [2] либо международному стандарту IEEE :ГОСТ[2]IEEEГОСТ[2]IEEE Обозначение по ГОСТ Описание Конденсатор постоянной ёмкости Поляризованный конденсатор Подстроечный конденсатор переменной ёмкостиНа электрических принципиальных схемах номинальная ёмкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1 мкФ = 106 пФ) и пикофарадах, но нередко и в нанофарадах. При ёмкости не более 0,01 мкФ, ёмкость конденсатора указывают в пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу измерения, то есть постфикс «пФ» опускают. При обозначении номинала ёмкости в других единицах указывают единицу измерения (пикоФарад). Для электролитических конденсаторов, а также для высоковольтных конденсаторов на схемах, после обозначения номинала ёмкости, указывают их максимальное рабочее напряжение в вольтах (В) или киловольтах (кВ). Например так: «10 мк x 10 В». Для переменных конденсаторов указывают диапазон изменения ёмкости, например так: «10 180». В настоящее время изготавливаются конденсаторы с номинальными ёмкостями из десятичнологарифмических рядов значений Е3, Е6, Е12, Е24, то есть на одну декаду приходится 3, 6, 12, 24 значения, так, чтобы значения с соответствующим допуском (разбросом) перекрывали всю декаду. Обозначение по ГОСТ Описание Конденсатор постоянной ёмкости Поляризованный конденсатор Подстроечный конденсатор переменной ёмкостиНа электрических принципиальных схемах номинальная ёмкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1 мкФ = 106 пФ) и пикофарадах, но нередко и в нанофарадах. При ёмкости не более 0,01 мкФ, ёмкость конденсатора указывают в пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу измерения, то есть постфикс «пФ» опускают. При обозначении номинала ёмкости в других единицах указывают единицу измерения (пикоФарад). Для электролитических конденсаторов, а также для высоковольтных конденсаторов на схемах, после обозначения номинала ёмкости, указывают их максимальное рабочее напряжение в вольтах (В) или киловольтах (кВ). Например так: «10 мк x 10 В». Для переменных конденсаторов указывают диапазон изменения ёмкости, например так: «10 180». В настоящее время изготавливаются конденсаторы с номинальными ёмкостями из десятичнологарифмических рядов значений Е3, Е6, Е12, Е24, то есть на одну декаду приходится 3, 6, 12, 24 значения, так, чтобы значения с соответствующим допуском (разбросом) перекрывали всю декаду. электрических принципиальных схемахмикрофарадахэлектролитических конденсаторовпеременных конденсаторовдесятичнологарифмических рядов значений Е3, Е6, Е12, Е24 электрических принципиальных схемахмикрофарадахэлектролитических конденсаторовпеременных конденсаторовдесятичнологарифмических рядов значений Е3, Е6, Е12, Е24
Основные параметры. Ёмкость.
Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = CU). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад. Однако существуют конденсаторы с ёмкостью до десятков фарад. Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = CU). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад. Однако существуют конденсаторы с ёмкостью до десятков фарад. ёмкостьэлектрический заряд напряжениюфарад ёмкостьэлектрический заряд напряжениюфарад Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью каждая, расположенных на расстоянии d друг от друга, в системе СИ выражается формулой: Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью каждая, расположенных на расстоянии d друг от друга, в системе СИ выражается формулой:СИ
Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею. Если у всех параллельно соединённых конденсаторов расстояние между обкладками и свойства диэлектрика одинаковы, то эти конденсаторы можно представить как один большой конденсатор, разделённый на фрагменты меньшей площади. Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею. Если у всех параллельно соединённых конденсаторов расстояние между обкладками и свойства диэлектрика одинаковы, то эти конденсаторы можно представить как один большой конденсатор, разделённый на фрагменты меньшей площади. При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы, так как от источника питания они поступают только на внешние электроды, а на внутренних электродах они получаются только за счет разделения зарядов, ранее нейтрализовавших друг друга. Общая ёмкость батареи последовательно соединённых конденсаторов равна При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы, так как от источника питания они поступают только на внешние электроды, а на внутренних электродах они получаются только за счет разделения зарядов, ранее нейтрализовавших друг друга. Общая ёмкость батареи последовательно соединённых конденсаторов равна
Удельная ёмкость. Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью отношением ёмкости к объёму (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя. Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью отношением ёмкости к объёму (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя.
Плотность энергии Плотность энергии электролитического конденсатора зависит от конструктивного исполнения. Максимальная плотность достигается у больших конденсаторов, где масса корпуса невелика по сравнению с массой обкладок и электролита. Например, у конденсатора EPCOS B4345 емкостью мкФ x 450 В и массой 1.9кг плотность энергии составляет 639Дж/кг или 845Дж/л. Особенно важен этот параметр при использовании конденсатора в качестве накопителя энергии, с последующим мгновенным её высвобождением, например, в пушке Гаусса Плотность энергии электролитического конденсатора зависит от конструктивного исполнения. Максимальная плотность достигается у больших конденсаторов, где масса корпуса невелика по сравнению с массой обкладок и электролита. Например, у конденсатора EPCOS B4345 емкостью мкФ x 450 В и массой 1.9кг плотность энергии составляет 639Дж/кг или 845Дж/л. Особенно важен этот параметр при использовании конденсатора в качестве накопителя энергии, с последующим мгновенным её высвобождением, например, в пушке Гауссапушке Гауссапушке Гаусса
Номинальное напряжение Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах. Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением т т т т т ееее мммм пппп ееее рррр аааа тттт уууу рррр ыыыы допустимое напряжение снижается, что связано с увеличением тепловой с с с с с кккк оооо рррр оооо сссс тттт ииии движения н н н н н оооо сссс ииии тттт ееее лллл ееее йййй з з з з аааа рррр яяяя дддд аааа и, соответственно, снижению требований для образования электрического пробоя.
Полярность Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса. Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса.электролитическиеэлектролита взрываэлектролитическиеэлектролита взрыва
Опасность разрушения (взрыва) Взрывы электролитических конденсаторов довольно распространённое явление. Основной причиной взрывов является перегрев конденсатора, вызываемый в большинстве случаев утечкой или повышением эквивалентного последовательного сопротивления вследствие старения (актуально для импульсных устройств). В современных компьютерах также перегрев конденсаторов очень частая причина выхода их из стоя, когда они стоят рядом с источниками повышенного тепловыделения (радиаторы охлаждения). Взрывы электролитических конденсаторов довольно распространённое явление. Основной причиной взрывов является перегрев конденсатора, вызываемый в большинстве случаев утечкой или повышением эквивалентного последовательного сопротивления вследствие старения (актуально для импульсных устройств). В современных компьютерах также перегрев конденсаторов очень частая причина выхода их из стоя, когда они стоят рядом с источниками повышенного тепловыделения (радиаторы охлаждения).эквивалентного последовательного сопротивленияэквивалентного последовательного сопротивления Для уменьшения повреждений других деталей и травматизма персонала в современных конденсаторах большой ёмкости устанавливают клапан или выполняют насечку на корпусе (часто можно заметить её в форме буквы X, K или Т на торце, иногда на больших конденсаторах она прикрыта пластиком). При повышении внутреннего давления открывается клапан или корпус разрушается по насечке, испарившийся электролит выходит в виде едкого газа и иногда даже жидкости, и давление спадает без взрыва и осколков. Для уменьшения повреждений других деталей и травматизма персонала в современных конденсаторах большой ёмкости устанавливают клапан или выполняют насечку на корпусе (часто можно заметить её в форме буквы X, K или Т на торце, иногда на больших конденсаторах она прикрыта пластиком). При повышении внутреннего давления открывается клапан или корпус разрушается по насечке, испарившийся электролит выходит в виде едкого газа и иногда даже жидкости, и давление спадает без взрыва и осколков. Однако не забывайте, что в старых отечественных электролитических конденсаторах никаких защит от взрыва нет, взрывная сила частей корпуса может быть достаточно большой и травмировать человека, а также разбить например лампочку (реальный случай из практики). Однако не забывайте, что в старых отечественных электролитических конденсаторах никаких защит от взрыва нет, взрывная сила частей корпуса может быть достаточно большой и травмировать человека, а также разбить например лампочку (реальный случай из практики).
Применение конденсаторов. Конденсаторы находят применение практически во всех областях электротехники. Конденсаторы (совместно с к к к к к аааа тттт уууу шшшш кккк аааа мммм ииии и и и и нннн дддд уууу кккк тттт ииии вввв нннн оооо сссс тттт ииии и/или р р р р р ееее зззз ииии сссс тттт оооо рррр аааа мммм ииии) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, ф ф ф ф ф ииии лллл ьььь тттт рррр оооо вввв, цепей о о о о о бббб рррр аааа тттт нннн оооо йййй с с с с вввв яяяя зззз ииии, к к к к к оооо лллл ееее бббб аааа тттт ееее лллл ьььь нннн ыыыы хххх к к к к оооо нннн тттт уууу рррр оооо вввв и т. п.. При быстром разряде конденсатора можно получить и и и и и мммм пппп уууу лллл ьььь сссс большой мощности, например, в фффф оооо тттт оооо вввв сссс пппп ыыыы шшшш кккк аааа хххх, э э э э э лллл ееее кккк тттт рррр оооо мммм аааа гггг нннн ииии тттт нннн ыыыы хххх у у у у сссс кккк оооо рррр ииии тттт ееее лллл яяяя хххх, и и и и и мммм пппп уууу лллл ьььь сссс нннн ыыыы хххх л л л л аааа зззз ееее рррр аааа хххх с с с с о о о о пппп тттт ииии чччч ееее сссс кккк оооо йййй н н н н аааа кккк аааа чччч кккк оооо йййй, гггг ееее нннн ееее рррр аааа тттт оооо рррр аааа хххх М М М М аааа рррр кккк сссс аааа,,,, ( ( ( ( ГГГГ ИИИИ НННН ;;;; Г Г Г Г ИИИИ ТТТТ )))), г г г г г ееее нннн ееее рррр аааа тттт оооо рррр аааа хххх К К К К оооо кккк рррр оооо фффф тттт аааа ---- УУУУ оооо лллл тттт оооо нннн аааа и т. п. Так как конденсатор способен длительное время сохранять заряд, то его можно использовать в качестве элемента п п п п п аааа мммм яяяя тттт ииии или устройства хранения электрической энергии. В промышленной электротехнике конденсаторы используются для к к к к к оооо мммм пппп ееее нннн сссс аааа цццц ииии ииии р р р р р ееее аааа кккк тттт ииии вввв нннн оооо йййй мммм оооо щщщщ нннн оооо сссс тттт ииии и в фильтрах высших г г г г г аааа рррр мммм оооо нннн ииии кккк. Конденсаторы способны накапливать большой заряд и создавать большую напряженность на обкладках, которая используется для различных целей, например, для ускорения з з з з з аааа рррр яяяя жжжж ееее нннн нннн ыыыы хххх чччч аааа сссс тттт ииии цццц или для создания кратковременных мощных э э э э э лллл ееее кккк тттт рррр ииии чччч ееее сссс кккк ииии хххх р р р р аааа зззз рррр яяяя дддд оооо вввв (см. г г г г г ееее нннн ееее рррр аааа тттт оооо рррр ВВВВ аааа нннн д д д д ееее Г Г Г Г рррр аааа аааа фффф аааа). Измерительный преобразователь (ИП) малых перемещений: малое изменение расстояния между обкладками очень заметно сказывается на ёмкости конденсатора. ИП влажности воздуха, древесины (изменение состава диэлектрика приводит к изменению емкости). В схемах Р Р Р Р Р ЗЗЗЗ ииии АААА конденсаторы используются для реализации логики работы некоторых защит. В частности, в схеме работы А А А А А ПППП ВВВВ использование конденсатора позволяет обеспечить требуемую кратность срабатывания защиты. Измерителя уровня жидкости. Непроводящая жидкость, заполняет пространство между обкладками конденсатора, и ёмкость конденсатора меняется в зависимости от уровня
Источники информации: wikipedia.org Работу выполнила ученица 9 «В»класса МОУ СОШ 36 Ивашкина Татьяна. Учитель физики: Сергеева Е.Е. Калининград 2010 год.