Что такое конденсатор и как они используются
Приветствую, друзья!
Мы уже рассматривали, как устроены «кирпичики», из которых собран компьютер.
Вы уже знаете, как устроены и как работают полупроводниковые диоды, полевые и биполярные транзисторы.
Вы уже знакомы с таким понятием, как SMD компоненты.
Давайте познакомимся с еще одной интереснейшей штуковиной — конденсатором.
Из всего многообразия конденсаторов мы рассмотрим лишь те, которые используются в компьютерах и периферийных устройствах.
Что такое конденсатор?
Конденсатор — это деталь с двумя выводами (двухполюсник), позволяющая накапливать энергию.
Конденсатор характеризуется такой величиной, как ёмкость.
Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше энергии он может накопить и тем (грубо говоря) больше его габариты.
Конденсатор может не только накапливать энергию, но и отдавать ее.
Именно в таком режиме он чаще всего и работает.
Конденсатор, в отличие от транзистора, является пассивным компонентом, т.
е. есть он не может генерировать или усиливать сигнал.
Как устроен конденсатор?
В простейшем случае конденсатор состоит из двух металлических пластин (обкладок) и диэлектрика (изолятора) между ними. Чем больше размер пластин и чем меньше зазор между ними, тем больше емкость конденсатора.
Вообще говоря, конденсатор накапливает на обкладках заряд (множество элементарных частиц, каждая из которых обладает элементарным зарядом). Чем больший заряд накоплен, тем большая запасена энергия. Ёмкость конденсатора зависит также и от вида диэлектрика.
Две пластины, разделенные тонким воздушным слоем (воздух — тоже диэлектрик), обладают очень небольшой емкостью, и в таком виде конденсаторы не используются.
С помощью специальных материалов и технологических ухищрений научились достаточно большую ёмкость втискивать в очень небольшой объём.
Самый характерный пример — электролитические конденсаторы.
В них две металлические обкладки в виде длинных полос (чаще всего из алюминиевой фольги) разделены слоем бумаги, пропитанной электролитом.
Электролит вызывает образование тонкой пленки оксида (окисла), которая является хорошим диэлектриком.
Поэтому электролитические конденсаторы называют ещё оксидными. Полосы сворачивают и помещают в цилиндрический алюминиевый корпус.
Раньше выводы конденсаторов делали из меди – как из материала с высокой электропроводностью. Теперь же их нередко делают из более дешевых сплавов на основе железа. В этом можно убедиться, если поднести к ним магнит. Фирмачи научились экономить!
В керамических конденсаторах диэлектриком служит пластинка из керамики, а обкладками – напыленные на керамику пленки металлических сплавов.
В каких единицах измеряется емкость конденсатора?
Основная единица для измерения ёмкости – Фарад (Ф, старое название – Фарада).
Но это очень большая величина, поэтому на практике используются её производные — пикофарад (пФ, пикофарада), нанофарад (нФ, нанофарада), микрофарад (мкФ, микрофарада).
Один микрофарад = 1 000 нанофарад = 1 000 000 пикофарад.
В компьютерных блоках питания и в материнских платах используются электролитические конденсаторы ёмкостью несколько сотен или тысяч микрофарад.
Там же применяется малогабаритные керамические конденсаторы ёмкостью несколько сотен или тысяч пикофарад.
Керамические конденсаторы используются чаще всего в виде SMD компонентов.
Как обозначаются конденсаторы в электрических схемах?
Конденсаторы в электрических схемах обозначается в виде двух вертикальных черточек, разделенных небольшим пространством. Графическое изображение напоминает те самые две пластины, разделенные воздушным диэлектриком.
У электролитических конденсаторов возле одной из черточек (обкладок) помещается знак «+».
Это потому, что электролитические конденсаторы обычно имеют полярность, которую надо соблюдать при монтаже.
Отметим, что в некоторых случаях применяются электролитические неполярные конденсаторы.
Рядом наносится значение ёмкости конденсатора.
А если конденсатор электролитический — то и величина его рабочего напряжения.
Записи вида 1000 p (1000 pF) и 3,9 n (3,9 nF) означают соответственно 1000 пикофарад и 3,9 нанофарад (или 3900 пикофарад).
Запись вида 1000uFx16V означает емкость 1000 микрофарад и рабочее напряжение 16 Вольт.
Напротив отрицательного электрода на корпусе конденсатора наносится соответствующая маркировка (знак «-»).
Где и как используются конденсаторы?
Перед тем как начать рассказывать об области применения конденсаторов, вспомним, что конденсатор это — две пластины, разделенные диэлектриком. Поэтому ток через конденсатор (в первом приближении) идти не может. Однако в цепи с конденсатором могут происходить процессы заряд и разряда. И во время этих процессов в цепи будут протекать токи заряда или разряда.
Таким образом, если переменное напряжение будет приложено к цепи с конденсатором, в ней будет протекать переменный ток. Поэтому конденсатор можно охарактеризовать такой величиной как емкостное сопротивление (обозначается в технической литературе как Хс).
Емкостное сопротивление зависит от ёмкости конденсатора и частоты приложенного напряжения. Чем ёмкость и частота больше, тем меньше емкостное сопротивление. На этих эффектах основано применение конденсаторов в схемах фильтрации источников питания.
В компьютерных блоках питания для получения постоянных напряжений +3,3, +5, и +12 В используется двухполупериодная схема выпрямление с двумя диодами и фильтрующим конденсатором. Без конденсатора на нагрузке будет пульсирующее напряжение одной полярности.
Источник постоянного напряжения можно представить в виде эквивалентной схемы из генератора и двух сопротивлений, где R1 — это внутреннее сопротивление выпрямителя, а R2 — емкостное сопротивление конденсатора.
Генератор – это сумма постоянного и переменного напряжений (пульсирующее напряжение содержит в себе постоянную и переменную составляющую).
Таким образом, сигнал с генератора подается на частотно-зависимый делитель напряжения. Выходной сигнал снимается с нижнего плеча (конденсатора).
Для постоянного напряжения сопротивление конденсатора очень велико, гораздо больше сопротивления выпрямителя. Поэтому уменьшения постоянного напряжения не происходит.
Для переменного напряжения сопротивления конденсатора очень мало, гораздо меньше сопротивления выпрямителя, поэтому происходит сильное ослабление переменной составляющей.
В реальной схеме ситуация несколько сложнее, так как к нижнему плечу делителя подключена нагрузка, обладающая сопротивлением. Поэтому полностью избавиться от пульсаций нельзя, можно только свести их к какому-то небольшому значению.
Вообще, такая комбинация активного сопротивления и конденсатора называется фильтром нижних частот, который пропускает постоянную составляющую и какой-то диапазон низких частот.
Чем выше частота входного переменного напряжения, тем сильнее оно ослабляется.
Так как необходимо сильное подавление пульсаций переменного напряжения, то используется электролитические конденсаторы большой емкости.
Назначение керамических SMD конденсаторов на материнской плате — подавлять высокочастотные помехи, возникающие при переключении транзисторов в микросхемах. Таким образом, электролитические конденсаторы фильтруют относительно низкочастотные помехи и пульсации, а керамические — более высокочастотные.
Приведем еще один пример разделения переменной и постоянной составляющей. Пусть в схеме на рисунке сигнал в точке А будет иметь постоянную составляющую 5 В и переменную амплитудой 2 В.
После конденсатора, в точке В будет уже только переменная составляющая той же амплитудой 2 В (если емкостное сопротивление конденсатора мало для такой частоты). Интересно, не правда ли?
По существу, это тоже частотно-зависимый делитель напряжения, где в виде нижнего плеча выступает сопротивление нагрузки. Такую комбинацию называют фильтром верхних частот, который не пропускает постоянную составляющие и низкие частоты, так как в емкостное сопротивление будет для них большим.
Заканчивая, отметим маленькую деталь: так как максимальное напряжение на конденсаторе будет равно сумме постоянной и переменной составляющей, его рабочее напряжение должно быть не менее этой величины.
Продолжение следует.
Конденсаторы
В конденсатор обычно поступают перегретые пары теплоносителя, которые охлаждаются до температуры насыщения и, конденсируясь, переходят в жидкую фазу. Для конденсации пара необходимо отвести от каждой единицы его массы теплоту, равную удельной теплоте конденсации. В зависимости от охлаждающей среды (теплоносителя) конденсаторы могут быть разделены на следующие типы: с водяным охлаждением, с водо-воздушным (испарительным) охлаждением, с воздушным охлаждением, с охлаждением кипящим холодильным агентом в конденсаторе-испарителе, с охлаждением технологическим продуктом. Выбор типа конденсатора зависит от условий применения.
Конденсаторы применяются на тепловых и атомных электростанциях для конденсации отработавшего в турбинах пара. При этом на каждую тонну конденсирующегося пара приходится около 50 тонн охлаждающей воды. Поэтому потребность ТЭС и особенно АЭС в воде очень велика — до 600 тысяч м³/час. В маловодных районах охлаждение конденсаторов турбин может производиться воздухом (примером могут служить воздушно-конденсационные установки на Разданской ГРЭС, Армения), однако это ухудшает КПД турбин, вследствие повышения температуры конденсации.
В турбинах с противодавлением конденсатор отсутствует — в этом случае весь отработанный пар поступает на производственные нужды.
Конденсатор холодильника «Минск-10»
В холодильных установках конденсаторы используются для конденсации паров хладагентов, например, фреона. В химической технологии конденсаторы используют для получения чистых веществ (дистиллятов) после перегонки или ректификации. Принцип конденсации успешно применяется также для разделения смеси паров различных веществ, так как их конденсация происходит при различных температурах.
Разновидности
По принципу теплообмена конденсаторы разделяются на смешивающие (конденсаторы смешения) и поверхностные. В смешивающих конденсаторах водяной пар непосредственно соприкасается с охлаждающей водой, а в поверхностных пары рабочего тела отделены стенкой от охлаждающего теплоносителя. Поверхностные конденсаторы разделяются по следующим особенностям:
по направлению потоков теплоносителя: прямоточные, противоточные и с поперечным потоком теплоносителей;
по количеству изменений направления движения теплоносителя — на одноходовые, двухходовые и др.
;
по количеству последовательно соединённых корпусов — одноступенчатые, двухступенчатые и др.
по конструктивному исполнению: кожухотрубные, пластинчатые и др.
Смешивающие конденсаторы
В смешивающем конденсаторе тепло- и массообменный процесс происходит путём прямого смешения сред. Охлаждающая вода разбрызгивается в пространстве смешивающего конденсатора. Пар конденсируется на поверхности капель воды и стекает вместе с ней в поддоны, откуда откачивается конденсатными насосами. Взаимное расположение потоков пара и воды может быть параллельным, противоточным или поперечноточным. При противотоке теплообмен более эффективен. Наиболее распространены пароводяные струйные аппараты, использующие струйные инжекторы. Поскольку в конденсат попадает охлаждающая вода с растворённым в ней воздухом и другими примесями, такая смесь не может быть использована для современных паровых котлов, которые предъявляют высокие требования к подготовке питательной воды. Поэтому смешивающие конденсаторы применяются либо в малых паровых машинах, либо в системах охлаждения с т.
н. «сухими градирнями», где роль охладителей выполняют закрытые радиаторы. Поэтому охлаждающая вода, проходя через радиаторы, мало загрязняется и может быть присоединена к потоку конденсата.
Поверхностные конденсаторы
В поверхностных конденсаторах нет прямого контакта конденсата с охлаждающей водой, поэтому они применяются для любых систем прямого и оборотного охлаждения, в том числе и с охлаждением морской водой.
Пример системы шарикоочистки.
В конденсаторах турбин ТЭЦ устраивают отдельный встроенный пучок, который в летнее время используется для охлаждения, а в зимнее время — для предварительного подогрева сетевой воды. При этом система охлаждения может быть полностью отключена, так как на ТЭЦ зимой в конденсатор попадает небольшое количество пара — в основном он используется для теплофикации.
В процессе работы поверхность трубок конденсатора, в которые поступает вода из водоёмов (рек, прудов, озёр и т. д.), загрязняется биологическими и минеральными отложениями, что ухудшает экономичность работы турбин.
Во избежание обрастания водяного тракта биологическими организмами охлаждающую воду обычно хлорируют. В замкнутых системах охлаждения целесообразно проводить «продувку», то есть добавление свежей воды. Фильтрация охлаждающей воды, как правило, не экономична из-за огромного расхода воды. Большинство современных конструкций конденсаторов позволяет производить механическую очистку части трубок без перерыва работы с отключением некоторых пучков. Широко применяются также системы очистки конденсаторов эластичными шариками из пористой резины, которые прогоняются по трубкам напором воды.
Наша продукция — это различное котельное и котельно-вспомогательное оборудование для промышленной и коммунальной энергетики.
Осуществляем поставку в любой регион и город России, а также в страны ближнего зарубежья.
Конкурентная цена изделий и её высокое качество — главные факторы нашего успеха.
Появились вопросы или желаете купить продукцию котельного оборудования?
Позвоните нам по многоканальному телефону 8-800-250-7569, напишите на 605980@mail.
ru или оставьте сообщение через обратную связь! Наши специалисты помогут с любым вопросом!
Емкость и импеданс в цепи переменного тока | Блог Advanced PCB Design
Ключевые выводы
Узнайте об импедансе конденсатора.
Получите более полное представление о важности импеданса конденсатора при анализе цепей переменного тока.
Узнайте, как рассчитать импеданс конденсатора.
Конденсаторы — чрезвычайно распространенные компоненты почти в каждой электронной схеме.
Область электроники содержит различные параметры, которые измеряют, помогают и влияют на функциональность и производительность каждого электронного устройства. Одним из важнейших параметров является импеданс в цепи переменного тока.
Кроме того, такие параметры, как емкость и импеданс, должны оставаться в допустимых проектных пределах, иначе даже точные конструкции могут не обеспечить желаемую функциональность. Также бывают случаи, когда требуется преобразование одного параметра в эквивалент другого. Более того, преобразование таких параметров, как емкость, в импеданс необходимо при выполнении подробного анализа цепи переменного тока. Поэтому очень важно, чтобы разработчики понимали взаимосвязь между емкостью и импедансом в цепях переменного тока.
Что такое емкость?
Ниже приведено полезное определение емкости:
Емкость мы связываем, конечно же, с конденсаторами. Мы называем способность системы накапливать электрический заряд «емкостью». Однако в физике мы называем это отношением изменения электрического заряда в системе к изменению ее электрического потенциала. |
Фарад — стандартная единица измерения емкости.Теперь, когда мы определили емкость, давайте посмотрим на роль конденсатора в цепи переменного тока.
Функция конденсатора в цепи переменного тока
Конденсаторы представляют собой пассивные электронные компоненты, обеспечивающие накопление энергии в виде электростатического поля. Конденсатор заряжается, когда переменный ток достигает своего пика в цепи переменного тока, и разряжается, когда переменный ток уменьшается. Такое поведение позволяет конденсатору действовать как временное хранилище, в котором ток опережает напряжение на 90 градусов.
Инженеры-электрики используют конденсаторы для улучшения коэффициента мощности в цепи переменного тока. Например, цепь переменного тока, питающая индуктивные нагрузки, такие как двигатель, приводит к запаздывающему току. Добавление конденсатора помогает компенсировать отстающий ток и приближает коэффициент мощности к единице.
Коррекция коэффициента мощности повышает эффективность использования энергии и снижает счета за электроэнергию.
Конденсаторы в фильтрах нижних частот
В конструкции печатных плат конденсаторы часто используются в фильтрах нижних или верхних частот. Это связано с тем, что импеданс конденсатора зависит от частоты сигнала переменного тока, проходящего через него. Конденсатор обычно блокирует низкочастотные сигналы, пропуская более высокочастотные сигналы.
Фильтр низких частот RC. Источник
На приведенной выше диаграмме показан RC-фильтр нижних частот. Конденсатор зашунтирован на землю. Таким образом, высокочастотные сигналы направляются на землю. Это предотвращает попадание высокочастотного шума выше частоты среза на нагрузку.
Частота среза RC-фильтра нижних частот определяется следующим уравнением.
Вы можете лучше понять поведение фильтра по его передаточной функции с помощью следующего преобразования Лапласа.
Конденсаторы в фильтрах верхних частот
Конденсатор подключается последовательно с входным сигналом, образуя фильтр верхних частот. Судя по приведенной ниже диаграмме, конденсатор блокирует передачу постоянного тока или низкочастотных сигналов на нагрузку. Допускаются только сигналы выше частоты среза.
Фильтр высоких частот RC. Источник
Частота среза фильтра верхних частот RC следующая:
Передаточная функция RC-фильтра верхних частот определяется следующим уравнением.
Емкость конденсатора
.
Анатомия конденсатора.
Конденсатор состоит из двух проводящих пластин, разделенных изолирующим материалом, называемым диэлектриком. Емкость конденсатора прямо пропорциональна площади поверхности его пластины и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами.
Емкость выражается следующим уравнением:
Где C — емкость, q — электрический заряд, а V — дифференциальный потенциал между проводящими пластинами.
Теперь, когда мы лучше понимаем емкость, давайте взглянем на импеданс в цепи переменного тока.
Общие сведения об импедансе в цепи переменного тока
Полное сопротивление — это активное сопротивление электрической цепи или компонента переменному току, возникающее в результате комбинированного воздействия реактивного сопротивления и омического сопротивления. Другими словами, импеданс — это просто расширение принципов сопротивления в цепях переменного тока. Мы также определяем его как любое препятствие или меру противодействия электрического тока потоку энергии при подаче напряжения.
Более техническое определение — это противопоставление электрической цепи потоку переменного тока одной частоты.
Таким образом, это комбинация реактивного сопротивления и сопротивления, которую мы измеряем в омах, представляя ее символом Z.
Однако реактивное сопротивление (X) выражает сопротивление компонента переменному току, тогда как полное сопротивление (Z) представляет собой сумму сопротивления реактивное сопротивление. Мы показываем его как комплексное число, используя следующую формулу:
Z = R + jX
Здесь комплексное сопротивление равно Z.
Обозначаем сопротивление как R (реальный аспект).
Мы представляем реактивное сопротивление как X (воображаемый аспект).
Имейте в виду, что реактивное сопротивление может быть как отрицательным, так и положительным, тогда как сопротивление всегда положительное. Кроме того, реактивное сопротивление накапливает энергию в магнитном или электрическом поле, а сопротивление внутри цепи рассеивает энергию в виде тепла.
Теперь, когда мы изучили импеданс в цепи переменного тока, давайте посмотрим, как рассчитать импеданс конденсатора.
Как рассчитать импеданс конденсатора
Конденсатор создает в цепи определенный уровень емкости. Функционально конденсатор обеспечивает временное хранение электрической энергии в виде электрического потенциала, при котором ток конденсатора опережает его напряжение на 90°. Формула импеданса конденсатора выглядит следующим образом:
Z C = -jX CXC — емкостное реактивное сопротивление, характеризующее, какое сопротивление будет иметь конденсатор на определенной частоте.
Приведенное выше уравнение может быть дополнительно расширено следующим образом:
Z C = 1/j ω CЗдесь полное сопротивление конденсатора равно ZC.
Угловая частота составляет ω, которая мы рассчитываем как:
ω = 2πf Мы представляем частоту сигнала в качестве F и емкости конденсатора как C.
. сопротивление идеального конденсатора равно нулю. Однако реактивное сопротивление и импеданс реального конденсатора отрицательны для всех значений емкости и частоты. Эффективное сопротивление (абсолютное значение) конденсатора зависит и уменьшается с частотой.
Из приведенных выше уравнений видно, что реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально как емкости, так и частоте. Следовательно, более высокая емкость и более высокая частота приводят к более низкому реактивному сопротивлению. Это позволяет использовать конденсаторы с другими компонентами в конструкциях фильтров нижних или верхних частот и блокирует избирательные частоты.
Хотя емкость в цепи переменного тока легко различима, параметр импеданса в цепи переменного тока требует тщательного анализа цепи. Имея это в виду, получение более глубокого понимания взаимосвязи между емкостью и импедансом имеет первостепенное значение.
Правильное использование конденсаторов и уверенность в том, что их влияние на импеданс в цепи переменного тока предсказуемо и приемлемо, требует хорошего программного обеспечения для проектирования и анализа печатных плат.
Если вы хотите узнать больше о том, как у Cadence есть решение для вас, поговорите с нашей командой экспертов или подпишитесь на наш канал YouTube.
Свяжитесь с нами
Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.
Подпишитесь на Linkedin Посетите вебсайт Больше контента от Cadence PCB Solutions
OrCAD
Начать бесплатную пробную версию
Конденсатор Определение и значение — Merriam-Webster
ca·pac·i·tor kə-pa-sə-tər: устройство, используемое для хранения электроэнергии
Примеры предложений
Недавние примеры в Интернете Во влажном электролитическом конденсаторе перегрев может привести к испарению электролита.
— IEEE Spectrum , 1 ноября 2018 г.
Этот момент стал кульминацией столетий электрических прорывов, когда ученые начали понимать электростатический заряд и электромагнетизм, а инженеры построили конденсаторы , аккумуляторы, а со временем и целые электростанции.
— Даррен Орф, Popular Mechanics , 8 июня 2023 г.
Увеличьте обороты своего DeLorean и проверьте этот старый конденсатор Flux , потому что Канны 2023 выглядят как путешествие в будущее.
— Скотт Роксборо, The Hollywood Reporter , 16 мая 2023 г.
Присяжные согласились с тем, что подсудимые сознательно участвовали в заговоре с целью исправить, поднять, сохранить или стабилизировать конденсатор цены.
— Расс Уайлс, Республика Аризона, , 24 мая 2023 г.
Перевернутый конденсатор вызывает повышенную утечку тока, что приводит к выделению тепла, которое впоследствии выжигает соседние МОП-транзисторы.
— Эндрю Каннингем, Ars Technica , 3 января 2022 г.
Машины упакованы с транзисторами и конденсаторы и силовая электроника, которая может выйти из строя.
— Расс Митчелл, Los Angeles Times , 27 апреля 2023 г.
Каждый из них представлял собой комбинацию из трех элементов: катушки индуктивности (аккумулирующие энергию в магнитном поле), конденсаторы (аккумулирующие энергию в электрическом поле) и резисторы (ограничивающие поток электричества).
— Джеки Аппель, Popular Mechanics , 18 апреля 2023 г.
Техническое обслуживание должно включать проверку компонентов, смазку вентиляторов и двигателей, подтяжку или замену ремней, проверку конденсаторы и подогреватель картера, и калибровка термостата.
— Жанна Хубер, Washington Post , 1 марта 2023 г.
Узнать большеЭти примеры программно скомпилированы из различных онлайн-источников, чтобы проиллюстрировать текущее использование слова «конденсатор». Любые мнения, выраженные в примерах, не отражают точку зрения Merriam-Webster или ее редакторов. Отправьте нам отзыв об этих примерах.
История слов
Первое известное использование
1925, в значении, определенном выше
Путешественник во времени
Первое известное использование конденсатора было в 1925 годуПосмотреть другие слова того же года
Словарные статьи Рядом с
конденсаторемкость
конденсатор
конденсаторный двигатель
Посмотреть другие записи поблизостиПроцитировать эту запись «Конденсатор.
» Словарь Merriam-Webster.com , Merriam-Webster, https://www.merriam-webster.com/dictionary/capacitor. По состоянию на 30 июня 2023 г. Копия цитированияДетское определение
Конденсатор
сущ. ca·pac·i·tor kə-pas-ət-ər : устройство для накопления электрического зарядазвонили также конденсатор
Medical Definition
конденсатор
сущ. ca·pac·i·tor kə-pas-ət-ər: устройство, дающее емкость и обычно состоящее из проводящих пластин или фольги, разделенных тонкими слоями диэлектрика (например, воздуха или слюды) с пластинами на противоположных сторонах диэлектрических слоев, противоположно заряженных источником напряжения и электрической энергии заряженной системы, хранящейся в поляризованном диэлектрике
Еще от Merriam-Webster о конденсаторе
Britannica.