Надо Знать

добавить знаний



Электрический конденсатор



План:


Введение

Различные виды конденсаторов

Конденс?тор ( рус. конденсатор , англ. capacitor ; нем. Kondensator m ) - Система из двух или более электродов (обкладок), разделенных диэлектриком, толщина которого меньше по сравнению с размером обкладок. Такая система взаимной электрическую емкость и способна сохранять электрический заряд.


1. История

Лейденская банка

В 1745 году в Лейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и голландский физик Питер ван Мушенбрук создали первый конденсатор - "лейденскую банка". Название изобретения дал французский физик Жан-Антуан Нолле ( фр. Jean Antoine Nollet ) [1]. Это была закупорена наполненная водой стеклянная банка, оклеенная внутри и снаружи фольгой. Через крышку в банке был введен металлический стержень. Лейденская банка позволяла накапливать и хранить сравнительно большие заряды, порядка микрокулона. Благодаря лейденской банке удалось впервые искусственным путем получить электрическую искру. Опыт с лейденской банкой было повторено Ж.Нолле в присутствии французского короля. Ученый создал цепь из 180 солдат-гвардейцев, держались за руки, причем первый в цепи держал банка в руке, а последний - касался проволоки, вызывая проскока искры. Вероятно, отсюда берет начало термин "электрическая цепь".

Изобретение лейденской банки стимулировало изучение электричества и электропроводящих свойств некоторых материалов. Опыты с лейденской банкой стали проводить физики разных стран, а в 1746-1747 годах первые теории лейденской банки разработали знаменитый американский ученый Бенджамин Франклин и англичанин В. Уатсон. Выяснилось, что металлы - лучшие проводники электричества. Одним из важнейших последствий изобретения лейденской банки стало установление влияния электрических разрядов на организм человека, что привело к зарождению електромедицины - это было первое сравнительно широкое практическое применение электричества, которое сыграло значительную роль в углублении изучения электрических явлений.

При проведении исследований с банкой было установлено, что количество электричества, накопленной в банке, пропорционально размеру обкладок и обратно пропорциональна толщине изоляционного слоя. Первый плоский конденсатор создал в 1783 итальянский физик Алессандро Вольта.


2. Свойства конденсатора

Демонстрация простого конденсатора в виде параллельных пластин. Диэлектриком между пластинами может быть воздух, жидкость, или твердый метериалов ( диэлектрик).

Приложения электрического напряжения до обкладок конденсатора вызывает накопление на них электрического заряда. После отключения от источника напряжения, заряд удерживается на обкладках силами электростатики. Если конденсатор в целостный элемент не является наэлектризованным то заряд, что накопленный на обоих обкладках одинаков по величине и противоположный по знаку. Способность конденсатора накапливать заряд характеризует его электрическая емкость :

C = \ frac Q U

где C - емкость конденсатора в Фарадей;

Q - электрический заряд, что накопленный на одной из обкладок в кулонах;
U - электрическое напряжение между обкладками в вольтах.

Емкость выражается в Фарада. Одна Фарада довольно значительна единицей, поэтому на практике емкость конденсаторов выражается в пико -, нано -, микро-и милифарадах.

В общем случае, напряжение U_C и электрический ток I_C конденсатора в момент времени t связаны зависимостью:

U_C = \ frac QC = {1 \ over C} \ int_ {- \ infty} ^ t I_C (\ tau) \ mbox {d} \ tau

Работа dW, которую следует выполнить, чтобы перенести элементарный заряд dq с одной обкладки конденсатора емкости C, на другую, при допущении, что одна из обкладок содержит заряд с текущим значением q.

\ Mbox {d} W = U (q) \ mbox {d} q = \ frac q C \ mbox {d} q

Энергию, которая накоплена в конденсаторе можно определить интегрированием уравнения, записанного выше с получением выражения:

W = \ int_0 ^ Q {q \ over C} \ mbox {d} q = {1 \ over 2} {Q ^ 2 \ over C} = {1 \ over 2} CU_C ^ 2,

где Q - начальное значение заряда конденсатора.

Изменение величины заряда конденсатора во времени характеризует электрический ток в момент заряжания, на основе чего можно записать:

I_c (t) = {{\ mbox {d} Q} \ over {\ mbox {d} t}} = C {{\ mbox {d} U_c} \ over {\ mbox {d} t}}

Конденсатор в цепи постоянного напряжения после того, как он зарядится не проводит ток, поскольку его обкладки разделены диэлектриком. В цепи с переменным напряжением он проводит электрический ток, поскольку колебания переменного тока вызывают циклическое зарядки конденсатора, а потому и ток в цепи, писуеться уравнениями:

U_c (t) = U_0 \ sin (\ omega t) \,
I_c = C {{\ mbox {d} U_C} \ over {\ mbox {d} t}} = C U_0 \ omega \ cos (\ omega t)

Величина, связывающая ток и напряжение на конденсаторе, называется реактивным сопротивлением, которая является тем меньше, чем больше емкость конденсатора и частота тока. Для конденсатора характерно, что для синусоидального закона изменения тока, изменение напряжения отстает по фазе на угол \ Frac {\ pi} {2} (Т.е. ток опережает напряжение по фазе на угол \ Frac {\ pi} {2} ). С этой точки зрения импеданс конденсатора является комплексным числом и описывается уравнением:

Z = \ frac {1} {i \ omega C} = \ frac {-i} {\ omega C} = \ frac {-i} {2 \ pi f C}

где ω - угловая частота;

f - частота в герцах;
i - мнимая единица

Реактивное сопротивление емкостного сопротивления записывается уравнением:

X_c = \ frac {-1} {\ omega C} = \ frac {-1} {2 \ pi f C}

Соответственно, для постоянного тока частота равна нулю, а сопротивление конденсатора - бесконечная величина (в идеальном случае).

При изменении частоты изменяется диэлектрическая проницаемость диэлектрика и степень влияния паразитных параметров - собственной индуктивности и сопротивления потерь. На высоких частотах любой конденсатор можно рассматривать как последовательный колебательный контур, образованный емкостью С, собственной индуктивностью L С и сопротивлением потерь R n.

f_p = 1/2 \ pi \ sqrt {L_cC}

При f> f p конденсатор в цепи переменного тока ведет себя как катушка индуктивности. Соответственно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах f p, на которых его сопротивление имеет емкостный характер.


3. Характеристики конденсаторов

Между пластинами конденсатора возникает электромагнитное поле. Диэлектрик (оранжевого цвета) снижает поле и повышает емкость.

3.1. Емкость

Основной характеристикой конденсатора является его электрическая емкость (точнее номинальная емкость), которая определяет накопленный заряд. Типичные значения емкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад. Но существуют конденсаторы с емкостью десятков фарад.

Емкость плоского конденсатора, состоящая из двух параллельных металлических пластин площадью S каждая, расположенных на расстоянии d друг от друга, в системе СИ выражена формулой C = \ frac {\ varepsilon \ varepsilon_0 S} {d} ~ , Где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами. Эта формула справедлива лишь при малых d.

Для получения больших емкостей конденсаторы соединяют параллельно. Общая емкость батареи параллельно соединенных конденсаторов равна сумме емкостей всех конденсаторов, входящих в батарею.

Capacitorsparallel.png

C = \ sum_ {i = 1} ^ N C_i

При последовательном с соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы. Общая емкость батареи последовательно соединенных конденсаторов равна

Capacitorsseries.png

C = \ frac {1} {\ sum_ {i = 1} ^ N 1/C_i}

Эта емкость всегда меньше минимальной емкости конденсатора, входящего в батарею. Но при последовательном соединении уменьшается угроза пробоя конденсаторов, поскольку на каждый конденсатор поступает лишь часть разницы потенциалов источника напряжения.


3.2. Удельная емкость

Конденсаторы также характеризуются удельной емкостью - отношение емкости к объему (или массы) конденсатора.

3.3. Емкость в А ? ч

Емкость конденсатора можно выразить в Ампер-час исходя из определения Фарады :

Ф = Кл / В = A ? c / В

приняв А ? ч = 3600 А ? с, получаем:

Ф = 3600 ? A ? ч / В

отсюда, при напряжении в 1В и емкости конденсатора в 1Ф емкость в А ? ч будет:

A ? ч = (1/3600) ? В ? Ф

3.4. Номинальное напряжение

Другой не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение - значение электрического напряжения, которое сказывается на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях во время срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должна превышать допустимой. Для большинства типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается.

Напряжение, при котором в течение 1-5 с возникает пробой, называется пробивной. Допустимую рабочее напряжение выбирают в 3-10 раз меньше пробивной.


3.5. Полярность

Большинство конденсаторов с оксидным диэлектриком ( электролитические) имеют униполярной проводимость, вследствие чего их эксплуатация возможна только при положительном потенциале аноду.

3.6. Тангенс угла потерь

Потери энергии в конденсаторе определяются потерями в диэлектрике и обкладках. При протекании переменного тока через конденсатор, векторы напряжения и тока змищеи на угол π/2-δ (δ - угол диэлектрических потерь). При отсутствии потерь δ = 0. Тангенс угла диэлектрических потерь определяется отношением активной мощности Р a к реактивной Р р при синусоидальном напряжении определенной частоты. Значение тангенса угла потерь в керамических высокочастотных, слюдяных, полистbрольних и фторопластовых конденсаторов находятся в пределах (10 ... 15) ? 10 -4, поликарбонатных (15 ... 25) ? 10-4, керамических низкочастотных 0,035, окислительных 0,05 ... 0,35 , полиетилентерефталевих 0,01 ... 0,012. Величина, обратная tg δ, называется добротностью конденсатора.


3.7. Электрическое сопротивление изоляции конденсатора

Электрическое сопротивление изоляции - это сопротивление конденсатора постоянному току, определяемое соотношением R с = U / I ви, где U - напряжение, направленная на конденсатор, I ви - ток утечки.

3.8. Температурный коэффициент емкости (ТКЕ)

ТКЕ - это параметр, характеризующий зависимость емкости конденсатора от температуры. Практически ТКЕ определяют как отношение изменения емкости конденсатора при изменении температуры на 1 ? С. Но ТКЕ определяется не для всех типов конденсаторов.

4. Стандартизация параметров конденсаторов и их кодирования

4.1. Условные графические обозначения

Обозначение
по ГОСТ 2.728-74
Описание
1cm
Конденсатор постоянной емкости
1cm
Поляризованный конденсатор
1cm
Поляризованный электролитический конденсатор
1cm
Пидлаштувальний конденсатор переменной емкости
1cm
Конденсатор переменной емкости

Условные графические обозначения конденсаторов на электрических схемах должны соответствовать ГОСТ 2.728-74 [2] или международному стандарту IEEE 315-1975 [3] [4]. Буквенное обозначение конденсаторов на электрических схемах согласно ГОСТ 2.710-81 [5] состоит из латинской буквы "C" и порядкового номера элемента (цифровое обозначение), начиная с единицы, в пределах группы элементов, например: C1, C2, C3 и т. д. .


4.2. Кодирования параметров

Номинальные значения емкостей стандартизованы. Международной электротехнической комиссией (IEC) для емкостей установлено 7 рядов преобладающих чисел серии E: Е3, Е6, Е12, Е24, реже Е48, E96, Е192 [6]

Номинальная емкость указывают в виде конкретного значения, выраженного в пикофарад (пФ) или микрофарад (мФ) (1 мкФ = 10 6 пФ). При емкости до 0,01 мкФ, она указывается в пикофарад, при этом можно не указывать единицу измерения (пФ). При указании номинала емкости в других единицах указывают единицу измерения.

Фактическое значение емкости может отличаться от номинального на величину отклонения. Значение этих отклонений установлены в процентах для конденсаторов емкостью более 10 пФ и в пикофарад для конденсаторов с меньшей емкостью. Допуск может кодироваться буквой [7]

  • симметричные допуски в процентах
Буквенный код E L P W B C D F G J K M N
Допуск,% ? 0,005 ? 0,01 ? 0,02 ? 0,05 ? 0,1 ? 0,25 ? 0,5 ? 1 ? 2 ? 5 ? 10 ? 20 ? 30
  • несимметричные допуски в процентах
Буквенный код Q T S Z
Допуск,% -10 +30 -10 +50 -20 +50 -20 +80
  • симметричные допуски, выраженные постоянными значениями
Буквенный код B C D F
Допуск, пФ ? 0,1 ? 0,25 ? 0,5 ? 1

Для електролітичних конденсаторів, а також для високовольтних конденсаторів на схемах, після вказання номіналу ємності, вказують їх максимальну робочу напругу у вольтах (В) чи кіловольтах (кВ). Наприклад: "10 мк x 10 В". Для змінних конденсаторів вказують діапазон зміни ємності, наприклад: "10 - 180". Для вказанння значень напруг конденсаторів використовують наступні букви кодування [7]

Буквений код I R M A C B D E F G H S J K L N P Q Z W X T Y U V
Номінальна напруга, В 1,0 1,6 2,5 3,2 4,0 6,3 10 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 350 400 450 500

Температурний коефіцієнт ємності (ТКЄ) кодується згідно з таблицею [7]

Буквений код A G N C H M L P R S T U V K Y B Z D E X F
Група за температурною
стабільністю ємності
П100 (П120) П60 П33 МП0 М33 М47 М75 М150 М220 М330 М470 М750 (М700) М1500 (М1300) М2200 М3300 Н10 Н20 Н30 Н50 Н70 Н90
Номінальне значення
ТКЄ?10 −6−1
+100 +60 +33 0 −33 −47 −75 −150 −220 −330 −470 −750 −1500 −2200 −3300 ?10 ?20 ?30 ?50 ?70 ?90
Приклади маркування конденсаторів

4.3. Маркування конденсаторів

Маркування конденсаторів може бути літерно-цифровим, яке включає умовне позначення (тип) конденсатора, номінальну напругу, ємність, відхилення ємності, групу ТКЄ, місяць та рік виготовлення.

Кодоване значення ємності містить 3-4 знаки. Літера коду позначає десяткову крапку. Номінальну ємність 0?999пФ виражають в пікофарадах з позначенням літерою " p " (наприклад, 150p); від 1000 до 999999 пФ - в нанофарадах з позначенням літерою " n " (наприклад, n150); від 1 до 999 мкФ - в мікрофарадах з позначенням літерою " μ " (наприклад, 1μ5); від 1000 до 999999 мкФ - в міліфарадах з позначенням літерою " m " (наприклад m100); більше цього значення - у фарадах з позначенням літерою " F ".

Після значення номінальної ємності конденсатора вказується кодова літера відхилення ємності, за нею - кодова літера групи ТКЄ. Так, 33pKL означає, що конденсатор має ємність 33 пФ з допуском ?10 % та температурною нестабільністю - 75?10 −6 K −1. Далі може бути вказана кодова літера номінальної напруги.


5. Класифікація конденсаторів

Вакуумний конденсатор сталої ємності (12 пФ, 20 кВ)
Керамічний конденсатор сталої ємності
Конденсатор поверхневого монтажу (SMD) на платі, макрофотографія
Оксидно-електролітичний конденсатор
Керамічний конденсатор підналаштування

Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность емкости, величину потерь и др..

По виду диэлектрика различают:

  • Вакуумные конденсаторы (обкладки без диэлектрика находятся в вакууме);
  • Конденсаторы с газообразным диэлектриком;
  • Конденсаторы с жидким диэлектриком;
  • Конденсаторы с твердым неорганическим диэлектриком: стеклянные, слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических пленок (К10, К15, К26, К32,);
  • Конденсаторы с твердым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажный, пленочные, комбинированные (К41, К42, К71, К72)
  • Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. В качестве диэлектрика используется слой оксида металла. Например для конденаторив оксидно-алюминиевых (К50) это Al 2 O 3, а для оксидно-танталовых (К51) - Ta 2 O 3. Одной обложкой служит металлическая фольга ( анод), а вторая ( 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. Такие конденсаторы отличаются от других типов прежде всего своей большой удельной емкостью, но способны работать при относительно низких напряжениях и имеют значительные диэлектрические потери.

Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения своей емкости:

  • Постоянные конденсаторы - основной класс конденсаторов, который имеет постоянную емкость (кроме как уменьшение со временем использования);
  • Переменные конденсаторы - конденсаторы, которые позволяют изменения емкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление емкостью может происходить механически, электрическим напряжением (вариконды) и температурой (термоконденсаторы). Используются, например, в радиоприемниках для настройки частоты резонансного контура.
  • Подстроечные конденсаторы - конденсаторы, емкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных емкостей соединенных контуров, для периодического подстройки и регулирования цепей схем, где требуется незначительное изменение емкости.

В зависимости от назначения конденсаторы можно условно разделить 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. Остальные конденсаторов являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, дозиметричи, пусковые и другие конденсаторы.

По форме обкладок конденсаторы бывают: плоские, цилиндрические, сферические, рулонные и другие (см. таблицу).

Название Емкость Электрическое поле Схема
Плоский конденсатор C = \ varepsilon_0 \ varepsilon_ \ mathrm {r} \ cdot \ frac {A} {d}E = \ frac {Q} {\ varepsilon_0 \ varepsilon_ \ mathrm {r} A} Plate CapacitorII.svg
Цилиндрический конденсатор C = 2 \ pi \ varepsilon_0 \ varepsilon_ \ mathrm {r} \, \ frac {l} {\ ln \! \ Left (R_2/R_1 \ right)}E (r) = \ frac {Q} {2 \ pi rl \ varepsilon_0 \ varepsilon_ \ mathrm {r}} Cylindrical CapacitorII.svg
Сферический конденсатор C = 4 \ pi \ varepsilon_0 \ varepsilon_ \ mathrm {r} \ left (\ tfrac {1} {R_1} - \ tfrac {1} {R_2} \ right) ^ {-1}E (r) = \ frac {Q} {4 \ pi r ^ 2 \ varepsilon_0 \ varepsilon_ \ mathrm {r}} Spherical Capacitor.svg
Сфера ~ C = 4 \ pi \ varepsilon_0 \ varepsilon_ \ mathrm {r} R_1

По способу монтажа конденсаторы делятся на элементы навесного монтажа и поверхностного (печатного), а также для использования в составе микросхем и микромодулей. Выводы конденсаторов для навесного монтажа могут быть жесткими или мягкими, аксиальными или радиальными из проволоки или ленты, в виде лепестков, кабельного ввода, шпилек или опорных винтов. В большинстве конденсаторов одна из обкладок соединяется с корпусом, который служит вторым выводом.


6. Использование конденсаторов

Современные электролитические конденсаторы. Благодаря частичным надрезы на верхних крышках электролитических конденсаторов в большинстве случаев удается избежать взрыва при выходе конденсатора из строя.

Конденсаторам находится использования практически во всех отраслях электротехники.

Конденсаторы используются как фильтры при преобразовании переменного тока в постоянный.

При соединении конденсатора с катушкой индуктивности образуется колебательный контур, который используется в устройствах приема-передачи.

С помощью конденсаторов можно получать импульсы большой мощности, например, в фотовспышках.

Оскільки конденсатор здатний довгий час зберігати заряд, то його можна використовувати в якості елемента пам'яті.


См.. также

Примечания

  1. Кикоин А. История изобретения электрического конденсатора - kvant.mccme.ru/1971/09/istoriya_izobreteniya_elektric.htm //Квант.- 1971.- № 9.- С.56
  2. ГОСТ 2.728-74 Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Резисторы, конденсаторы.
  3. Graphic Symbols for Electrical and Electronics Diagrams (Including Reference Designation Letters): IEEE-315-1975 (Reaffirmed 1993): Section 22. IEEE and ANSI, New York, NY. 1993.
  4. Electrical Symbols & Electronic Symbols - www.rapidtables.com/electric/electrical_symbols.htm (Англ.)
  5. ГОСТ 2.710-81 ЕСКД Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах.
  6. IEC 60063, Preferred number series for resistors and capacitors. International Electrotechnical Commission, 1963.
  7. а б в ГОСТ 28883-90 (IEC 62-74) Коды для маркировки резисторов и конденсаторов.

Источники

  • Электрические конденсаторы и конденсатрные установки: Справочник / В. П. Берзан, Б. Ю. Геликман, М. Н. Гураевский и др.; Под ред. Г. С. Кучинского. - М.: Энергоатомиздат, 1987.- 656 с.
  • Справочник по электрическим конденсаторам /М. Н. Дьяконов, В. И. Кабанов, В. И. Присняков и др.; Под общ. ред. И. И. Четверикова и В. Ф. Смирнова. - М.: Радио и связь, 1983. - 576 с.


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам