Конденсаторы для «чайников» / Хабр
Если вы регулярно занимаетесь созданием электрических схем, вы наверняка использовали конденсаторы. Это стандартный компонент схем, такой же, как сопротивление, который вы просто берёте с полки без раздумий. Мы используем конденсаторы для сглаживания пульсаций напряжения/тока, для согласования нагрузок, в качестве источника энергии для маломощных устройств, и других применений.
Но конденсатор – это не просто пузырёк с двумя проводочками и парой параметров – рабочее напряжение и ёмкость. Существует огромный массив технологий и материалов с разными свойствами, применяемых для создания конденсаторов. И хотя в большинстве случаев для любой задачи сгодится практически любой конденсатор подходящей ёмкости, хорошее понимание работы этих устройств может помочь вам выбрать не просто нечто подходящее, а подходящее наилучшим образом. Если у вас когда-нибудь была проблема с температурной стабильностью или задача поиска источника дополнительных шумов – вы оцените информацию из этой статьи.
Начнём с простого
Лучше начать с простого и описать основные принципы работы конденсаторов, прежде чем переходить к настоящим устройствам. Идеальный конденсатор состоит из двух проводящих пластинок, разделённых диэлектриком. Заряд собирается на пластинах, но не может перетекать между ними – диэлектрик обладает изолирующими свойствами. Так конденсатор накапливает заряд.
Ёмкость измеряется в фарадах: конденсатор в один фарад выдаёт напряжение в один вольт, если в нём находится заряд в один кулон. Как и у многих других единиц системы СИ, у неё непрактичный размер, поэтому, если не брать в расчёт суперконденсаторы, о которых мы здесь говорить не будем, вы скорее всего встретитесь с микро-, нано- и пикофарадами. Ёмкость любого конденсатора можно вывести из его размеров и свойств диэлектрика – если интересно, формулу для этого можно посмотреть в Википедии. Запоминать её не нужно, если только вы не готовитесь к экзамену – но в ней содержится один полезный факт.
Паразитные индуктивность и сопротивление реального конденсатора
С использованием диэлектриков в конденсаторах есть одна проблемка, наряду с тем, что диэлектрик с нужными характеристиками обладает неприятными побочными эффектами. У всех конденсаторов есть небольшие паразитные сопротивление и индуктивность, которые иногда могут влиять на его работу. Электрические постоянные меняются от температуры и напряжения, пьезоэлектричества или шума. Некоторые конденсаторы стоят слишком дорого, у некоторых существуют состояния отказа. И вот мы подошли к основной части статьи, в которой расскажем о разных типах конденсаторов, и об их свойствах, полезных и вредных. Мы не будем освещать все возможные технологии, хотя большинство обычных мы опишем.
Алюминиевые электролитические
Алюминиевые электролитические конденсаторы используют анодно-оксидированный слой на алюминиевом листе в качестве одной пластины-диэлектрика, и электролит из электрохимической ячейки в качестве другой пластины. Наличие электрохимической ячейки делает их полярными, то есть напряжение постоянного тока должно прикладываться в одном направлении, и анодированная пластина должна быть анодом, или плюсом.
На практике их пластины выполнены в виде сэндвича из алюминиевой фольги, завёрнутой в цилиндр и расположенной в алюминиевой банке. Рабочее напряжение зависит от глубины анодированного слоя.
У электролитических конденсаторов наибольшая среди распространённых ёмкость, от 0,1 до тысяч мкФ. Из-за плотной упаковки электрохимической ячейки у них наблюдается большая эквивалентная последовательная индуктивность (equivalent series inductance, ESI, или эффективная индуктивность), из-за чего их нельзя использовать на высоких частотах. Обычно они используются для сглаживания питания и развязывания, а также связывания на аудиочастотах.
Танталовые электролитические
Танталовый конденсатор поверхностного размещения
Танталовые электролитические конденсаторы изготавливаются в виде спечённого танталового анода с большой площадью поверхности, на которой выращивается толстый слой оксида, а затем в качестве катода размещается электролит из диоксида марганца. Комбинация большой площади поверхности и диэлектрических свойств оксида тантала приводит к высокой ёмкости в пересчёте на объём. В результате такие конденсаторы выходят гораздо меньше алюминиевых конденсаторов сравнимой ёмкости. Как и у последних, у танталовых конденсаторов есть полярность, поэтому постоянный ток должен идти в строго одном направлении.
Их доступная ёмкостью варьируется от 0,1 до нескольких сотен мкФ. У них гораздо меньше сопротивление утечки и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), в связи с чем они используются в тестировании, измерительных приборах и высококачественных аудиоустройствах – там, где эти свойства полезны.
В случае танталовых конденсаторов необходимо особенно следить за тем, чтобы они не вышли из строя — бывает, что в таком случае они загораются. Аморфный оксид тантала – хороший диэлектрик, а в кристаллической форме он становится хорошим проводником. Неправильное использование танталового конденсатора – например, подача слишком большого пускового тока может привести к переходу диэлектрика в другую форму, что увеличит проходящий через него ток. Правда, репутация, связанная с возгораниями, появилась у более ранних поколений танталовых конденсаторов, и улучшенные методы производства привели к созданию более надёжной продукции.
Полимерные плёнки
Целое семейство конденсаторов использует полимерные плёнки в качестве диэлектриков, а плёнка либо находится между витыми или перемежающимися слоями металлической фольги, либо имеет металлизированный слой на поверхности. Их рабочее напряжение может доходить до 1000 В, но высокими ёмкостями они не обладают – это обычно от 100 пФ до единиц мкФ.
У каждого вида плёнки есть свои плюсы и минусы, но в целом всё семейство отличается более низкими ёмкостью и индуктивностью, чем у электролитических. Посему они используются в высокочастотных устройствах и для развязывания в электрически шумных системах, а также в системах общего назначения.
Полипропиленовые конденсаторы используются в схемах, требующих хорошей тепловой и частотной стабильности. Также они используются в системах питания, для подавления ЭМП, в системах, использующих переменные токи высокого напряжения.
Полиэстеровые конденсаторы, хотя и не обладают такими температурными и частотными характеристиками, получаются дешёвыми и выдерживают большие температуры при пайке для поверхностного монтажа. В связи с этим они используются в схемах, предназначенных для использования в некритичных приложениях.
Полиэтилен-нафталатовые конденсаторы. Не обладают стабильными температурными и частотными характеристиками, но могут выдерживать гораздо большие температуры и напряжения по сравнению с полиэстеровыми.
Полиэтилен-сульфидовые конденсаторы обладают температурными и частотными характеристиками полипропиленовых, и в дополнение выдерживают высокие температуры.
В старом оборудовании можно наткнуться на поликарбонатные и полистиреновые конденсаторы, но сейчас они уже не используются.
Керамика
История керамических конденсаторов довольно длинная – они использовались с первых десятилетий прошлого века и по сей день. Ранние конденсаторы представляли собою один слой керамики, металлизированной с обеих сторон. Более поздние бывают и многослойными, где пластины с металлизацией и керамика перемежаются. В зависимости от диэлектрика их ёмкости варьируются от 1 пФ до десятков мкФ, а напряжения достигают киловольт. Во всех отраслях электроники, где требуется малая ёмкость, можно встретить как однослойные керамические диски, так и многослойные пакетные конденсаторы поверхностного монтажа.
Проще всего классифицировать керамические конденсаторы по диэлектрикам, поскольку именно они придают конденсатором все свойства.
Диэлектрики классифицируют по трёхбуквенным кодам, где зашифрована их рабочая температура и стабильность.
C0G лучшая стабильность в ёмкости по отношению к температуре, частоте и напряжению. Используются в высокочастотных схемах и других контурах высокого быстродействия.
X7R не обладают такими хорошими характеристиками по температуре и напряжению, посему используются в менее критичных случаях. Обычно это развязывание и различные универсальные приложения.
Y5V обладают гораздо большей ёмкостью, но характеристики температуры и напряжения у них ещё ниже. Также используются для развязывания и в различных универсальных приложениях.
Поскольку керамика часто обладает и пьезоэлектрическими свойствами, некоторые керамические конденсаторы демонстрируют и микрофонный эффект. Если вы работали с высокими напряжениями и частотами в аудиодиапазоне, например, в случае ламповых усилителей или электростатики, вы могли услышать, как «поют» конденсаторы. Если вы использовали пьезоэлектрический конденсатор для обеспечения частотной стабилизации, вы могли обнаружить, что его звук модулируется вибрацией его окружения.
Как мы уже упоминали, статья не ставит целью охватить все технологии конденсаторов. Взглянув в каталог электроники вы обнаружите, что некоторые технологии, имеющиеся в наличии, здесь не освещены. Некоторые предложения из каталогов уже устарели, или же имеют такую узкую нишу, что с ними чаще всего и не встретишься. Мы надеялись лишь развеять некоторые тайны по поводу популярных моделей конденсаторов, и помочь вам в выборе подходящих компонентов при разработке собственных устройств. Если мы разогрели ваш аппетит, вы можете изучить нашу статью по катушкам индуктивности.
Об обнаруженных вами неточностях и ошибках прошу писать через личные сообщения сайта. Спасибо.
Аналитика. Индия ввела в эксплуатацию первую в стране угольную теплоэлектростанцию с воздушным охлаждением
поделиться новостью
07.04.23 08:10
Северо-Каранпурская ТЭС с тремя энергоблоками общей мощностью 1980 мегаватт (МВт) является первой в Индии электростанцией, работающей на угле, в которой используются конденсаторы с воздушным охлаждением для экономии воды при выработке электроэнергии.
,
Индийская национальная энергетическая компания (NTPC) ввела в эксплуатацию угольную теплоэлектростанцию North Karanpura в штате Джаркханд на востоке страны.
Конденсаторы, которые преобразуют пар в жидкость, являются компонентом цепочки производства электроэнергии на твердом топливе. Когда уголь сжигается, он нагревает водяной котел, превращая воду в пар, который приводит в действие турбину, вращающую генератор. Отработанный пар направляется в конденсатор, где охлаждается до первоначального агрегатного состояния, и эту воду после очистки можно повторно нагреть в котле, обеспечивая замкнутый цикл. В электроэнергетике одновременно применяются водоохлаждаемые и воздушные конденсаторы: в первом случае на тонну пара требуется около 50 тонн охлаждающей воды, а во втором случае ее не требуется вообще.
Проект ТЭС North Karanpura, разработанный еще в 1990 году, изначально предполагал использование конденсатора с водяным охлаждением.
В этом сценарии ежегодное потребление воды при производстве электроэнергии составило бы 55 миллионов кубических метров. Чтобы запастись таким количеством воды, потребовалось бы строительство плотины высотой 22,5 метра (через один из притоков реки Дамодар) и общей площадью чуть более 2000 га. Пришлось бы затопить плодородные земли, которые обрабатывают жители 10 деревень. Однако в последующих обсуждениях проекта предпочтение отдали конденсатору с воздушным охлаждением, а не водяному. Как следствие, общий объем воды, который потребуется ежегодно для выработки электроэнергии, не превысит 20 млн куб. м. Вода будет подаваться за счет низконапорной плотины, расположенной на территории ТЭС. Эта плотина будет оборудована «воротами», через которые вода будет проходить из резервуара. Экономия воды составит около 30,5 млн куб. м в год, что эквивалентно водопотреблению 1,5 млн человек в регионе ежегодно.
Северо-Каранпурская ТЭС – одна из «сверхкритических» тепловых электростанций, на которую к началу 2023 года приходилось 30% угольных генерирующих мощностей Индии.
По подсчётам Global Energy Monitor, доля «подкритических» угольных ТЭС составила 69%, а «ультрасверхкритических» 1%. Одним из отличий является эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую: если КПД «подкритических» ТЭС составляет 33%, а «сверхкритических» 44%, то «сверхсверхкритических» около 50%, по данным Всемирного банка. Индия занимает второе место в мире по установленной мощности угольных электростанций. К началу 2023 года в стране работало 284 угольных ТЭС общей мощностью 234 гигаватта (ГВт), в то время как в Китае 1135 ТЭС на 1093 ГВт, а в остальных странах мира 1039 ТЭС на 755 ГВт.
NTPC приняла ряд мер по рациональному использованию водных ресурсов на всех своих станциях. NTPC будет и в дальнейшем внедрять технологию 3R (сокращение, повторное использование, переработка) для сохранения и управления водными ресурсами, выполняя свою основную деятельность по производству электроэнергии. NTPC Ltd подписала Водный мандат Глобального договора ООН.
Северо-Каранпурская ТЭС, расположенная в 10 км от месторождения угля, будет поставлять электроэнергию в штаты Джаркханд, Бихар, Западная Бенгалия и Одиша.
Хотя использование технологии КВО довольно распространено во всем мире, для индийской угольной генерации это новая практика.
КВО представляет собой теплообменник, в котором пар конденсируется внутри оребренных труб с воздушным охлаждением. Это система прямого сухого охлаждения. Поток холодного окружающего воздуха снаружи оребренных труб отводит тепло и определяет функциональность КВО. На тепловых электростанциях пар от выхлопа турбины поступает в КВО, где происходит конденсация. Затем конденсат возвращается в котел по замкнутому контуру. Так как пар, выходящий из турбины, находится под низким давлением, КВО работает при давлении, близком к вакууму, а неконденсирующиеся газы непрерывно удаляются воздухоотсосом.
Первая генерирующая станция с прямым КВО в Северной Америке, 21,7-МВт угольная ТЭС Нила Симпсона в Джиллетте, штат Вайоминг, была введена в эксплуатацию в 1969 году.
Но, несмотря на то, что по состоянию на январь 2023 года Индия полагалась на 179 угольных электростанций общей мощностью 204 ГВт, обеспечивающих почти 50% от общего объема производства электроэнергии, она до сих пор не использовала КВО из-за высоких капитальных затрат и относительно низкого сокращения водного следа по сравнению с водяным охлаждением. КВО и составные компоненты — включая трубные пучки, редукторы и вакуумные насосы — обычно приходится импортировать, что снижает их конкурентоспособность по стоимости.
В настоящее время NTPC (индийскому правительству принадлежит 51,1% акций компании) удовлетворяет 24% потребностей Индии в электричестве за счет угольных, газовых, гидро-, солнечных и ветряных электростанций.
В рамках инициативы NTPC ESG компания предпринимает масштабные усилия по диверсификации топлива путем увеличения портфеля возобновляемых источников энергии с 10 ГВт до 60 ГВт к 2032 году.
Наряду с планами по выводу из эксплуатации 1,4 ГВт угольных мощностей, компания планирует смешивать до 10% биомассы на существующих угольных станциях; изучить возможность улавливания, утилизации и хранения углерода на двух угольных станциях; и сократить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от всего оборудования.
Компания активно участвует в проектах по сохранению водных ресурсов. Наряду с оснащением новых станций КВО, усилия включают внедрение более высоких циклов концентрации в системах оборотного водоснабжения, сброс нулевой жидкости, удаление шлама высокой концентрации и опреснение морской воды, в том числе из систем на основе дымовых газов.
Теперь, когда проект North Karanpura запущен, NTPC сосредоточится на завершении второй установки КВО на строящемся в Джаркханде супертермальном энергопроекте Patratu мощностью 2,4 ГВт. Индийский производитель оборудования BHEL заключил контракт на проектирование, закупку и строительство для этого проекта.
Примерно 40% тепловых электростанций Индии расположены в регионах с высоким уровнем дефицита воды.
Герман Плиев, Energyland.info
Читайте также:
30.03.23 Монтажные провода: назначение и виды
29.03.23 В порту Антверпена построят пилотную установку крекинга аммиака
27.03.23 Как защитить ЛЭП от трекинг-эффекта?
23.03.23 Защита поверхностей от химических воздействий: роль химстойких герметиков в промышленности
18.03.23 Норвежский «Тролль» боится диверсий
Читать все статьи раздела Аналитика
ток — Что такое «положительный заряд» конденсатора, если по цепи текут только электроны, а не протоны?
спросил
Изменено 2 года, 6 месяцев назад
Просмотрено 409 раз
\$\начало группы\$
Говоря нетрадиционной современной терминологией, электроны должны накапливаться от положительного вывода источника питания к верхней пластине конденсатора.
Чего я не понимаю с атомной точки зрения, так это того, как создается электрическое поле, поскольку конденсатор не получает «положительного» заряда от протонов.
- конденсатор
- ток
\$\конечная группа\$
5
\$\начало группы\$
Рассмотрим конденсатор с параллельными металлическими пластинами.
Избыток электронов на любой пластине дает отрицательный заряд.
A Дефицит электронов на любой пластине дает положительный заряд.
Когда мы говорим о конденсаторе, общий заряд на конденсаторе равен нулю (если учитывать обе пластины). Что происходит, так это то, что некоторые электроны одной пластины перемещаются на вторую пластину, тем самым давая вам положительно заряженную пластину и отрицательно заряженную пластину.
Когда вы разряжаете конденсатор, избыточные электроны с отрицательной пластины возвращаются обратно на положительную пластину, и обе пластины становятся нейтральными.
\$\конечная группа\$
2
\$\начало группы\$
В металлах, где единственными подвижными носителями заряда являются электроны (другие материалы используют другие носители заряда), положительный заряд представляет собой избыток ядерных протонов, заряд которых больше не нейтрализуется электронами в оболочке.
Чтобы выразить это в цифрах, рассмотрим конденсатор, площадь пластин которого составляет 1 квадратный метр, а расстояние между ними составляет 10 мкм. Стандартная формула емкости C = Ae / d дает емкость около 1 мкФ при использовании вакуумного диэлектрика.
Допустим, металлизация алюминиевая с размером элементарной ячейки 0,4 нм. Если посчитать количество атомов на поверхностном слое электродов, то оно составит 1/(0,4 n) 2 = 6,3e18. Атомов в пленке намного больше, но давайте рассмотрим только поверхностный монослой.
Поскольку в каждом атоме 13 электронов и 13 нейтронов, общий заряд равен (как ни странно, я выбрал 1 м 2 и первый Al) 13 кулонов заряда протона и электрона. Однако только самый внешний электрон может свободно перемещаться в зоне проводимости, так что это 1 Кл мобильного заряда.
Зарядим конденсатор до 1 кВ. Поскольку Q = CV, это 1 мКл. Таким образом, 0,1% подвижного электронного заряда покинуло положительную пластину, что останавливает ее нейтрализацию 1 мКл из общего заряда ядра в 13 Кл. Между тем, 1 мКл электронов прибыл на отрицательную пластину, оставив конденсатор в целом нейтральным.
\$\конечная группа\$
Зарегистрируйтесь или войдите в систему
Зарегистрируйтесь с помощью Google
Зарегистрироваться через Facebook
Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но никогда не отображается
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но не отображается
Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie
.
Плюс полярного конденсатора соединен с массой
спросил
Изменено 8 лет, 2 месяца назад
Просмотрено 2к раз
\$\начало группы\$
Я пытаюсь сделать эту схему отсюда , но я запутался, так как положительный вывод поляризованных конденсаторов заземлен. Может ли это быть правильным?
- электролитический конденсатор
\$\конечная группа\$
5
\$\начало группы\$
Для поляризованных конденсаторов принято соглашение о том, что изогнутая пластина является положительной.
T1-T2 являются источником шума, так как это генератор шума.
Известно использование транзисторного перехода с обратным смещением в качестве источника белого шума. Это, как правило, зависит от напряжения, и для работы может потребоваться минимальное напряжение. (По памяти с 9до 12 В в некоторых случаях). Возможно, он обнаружил, что 2N2222 достаточно хорошо работает при напряжении 9 В.
Возможно, он по ошибке нарисовал источник шума «вверх ногами». Если вы инвертируете транзисторную матрицу и регулируете соединения, вы получаете схему ниже, которая появляется в очень большом количестве мест как источник шума, использующий обратный лавинный пробой NP-перехода с обратным смещением для генерации шума. Если это то, что задумано, вся тайна исчезает, и в целом это очень стандартная схема. В этом случае источник шума находится в цепи обратной связи и смещения следующего за ним транзистора.
Возможно, что генератор шума действительно работает «как показано» — это было бы чрезвычайно легко выяснить.
Его описание процесса генерации шума «технически отсутствует», но есть вероятность, что он нашел его экспериментально или из других источников.
Другие примеры:
Все они используют один p-n переход с обратным смещением, а не интересную двухтранзисторную версию. Но принцип, как правило, один и тот же.
Когда я говорю «в цепи обратной связи», я имею в виду, что шумовой переход подключается между входом усилителя (обычно база транзистора) и выходом усилителя (например, коллектором), поэтому источник шума подвергается воздействию изменяющегося напряжения собственного вдоха. ./ «Не в пути fb» означает, что источник шума видит постоянный ток и шумит для усиления.
Генератор розового шума — говорят — источник шума не в цепи обратной связи.
Используется в генераторе случайных чисел — источник шума в тракте обратной связи/смещения следующего шага.
Stack exchange пример ставить под сомнение случайность
В RNG — в FB пути. Обратите внимание, что это упоминается в посте 2 ниже как выход из строя через несколько месяцев.