Схема конденсатор: Схемы соединения конденсаторов — расчет емкости

Содержание

Что такое конденсатор — Принцип работы, виды, типы

Что такое конденсатор

Конденсатор или как в народе говорят — «кондер», образуются от латинского «condensatus», что означает как «уплотненный, сгущенный». Он представляет из себя пассивный радиоэлемент, который обладает таким свойством, как сохранение электрического заряда на своих обкладках, если, конечно, перед этим его зарядить каким-нибудь источником питания.

Грубо говоря, конденсатор можно рассматривать как батарейку или аккумулятор электрической энергии. Но вся разница в том, что аккумулятор или батарейка имеют в своем составе источник ЭДС, тогда как конденсатор лишен этого внутреннего источника.

Из чего состоит конденсатор


Любой конденсатор состоит из двух или более металлических обкладок, которые не соприкасаются друг с другом. Для более полного понимания, как все это устроено в конденсаторе, давайте представим себе блин.

намажем его сгущенкой

 и сверху положим точно такой же блин

Должно выполняться условие: эти два блина не должны прикасаться  друг  с другом. То есть верхний блин должен лежать на сгущенке и не прикасаться с нижним блином. Тут, думаю, все понятно. Перед вами типичный «блинный конденсатор» :-). Вот таким образом устроены все конденсаторы, только вместо блинов используются тонкие металлические пластины, а вместо сгущенки различный диэлектрик. В качестве диэлектрика может быть воздух, бумага, электролит, слюда, керамика, и так далее. К каждой металлической пластине подсоединены проводки — это выводы конденсатора.

Схематически все это выглядит примерно вот так.

Как вы могли заметить, из-за диэлектрика конденсатор не может проводить ток. Но это относиться только к постоянному току. Переменный ток конденсатор пропускает через себя без проблем с небольшим сопротивлением, номинал которого зависит от частоты тока и емкости самого конденсатора.

Емкость конденсатора

Электрические заряды

Как вы знаете, существует два типа зарядов: положительный заряд и отрицательный заряд. Ну и все как обычно, одноименные заряды отталкивается, а разноименные  — притягиваются. Физика седьмой класс).

Давайте еще раз рассмотрим простую модель конденсатора.

Если мы соединим наш конденсатор с каким-нибудь источником питания постоянного тока, то мы его зарядим. В этот момент положительные заряды, которые идут от плюса источника питания, осядут на одной пластине, а отрицательные заряды с минуса источника питания — на другой.

Самое интересное то, что количество положительных зарядов будет равняться количеству отрицательных зарядов.

Даже если мы отсоединим источник питания постоянного тока, то у нас конденсатор так и останется заряженным.

Почему так происходит?

Во-первых, заряду некуда течь. Хотя с течением времени он все равно будет разряжаться. Это  зависит от материала диэлектрика.

Во-вторых, происходит взаимодействие зарядов. Положительные заряды притягиваются к отрицательным, но они не могут соединиться с друг другом, так как им мешает диэлектрик, который, как вы знаете, не пропускает электрический ток. В это время между обкладками конденсатора возникает электрическое поле, которое как раз и запасает энергию конденсатора.

Когда конденсатор заряжается, электрическое поле между обкладками становится сильнее. Соответственно, когда конденсатор разряжается, электрическое поле слабеет. Но как много заряда мы можем «впихнуть» в конденсатор? Вот здесь и применяется такое понятие, как емкость конденсатора.

Что такое емкость

Емкость конденсатора — это его способность накапливать заряд на своих пластинах в виде электрического поля.

Но ведь емкость может быть не только у конденсатора. Например, емкость бутылки 1 литр, или емкость бензобака — 100 литров и так далее. Мы ведь не можем впихнуть в бутылку емкость в 1 литр больше, чем рассчитана эта бутылка, так ведь? Иначе остатки жидкости просто не влезут в бутылку и будут выливаться из нее. Точно такие же дела и обстоят с конденсатором. Мы не сможем впихнуть в него заряда больше, если он не рассчитан на это. Поэтому, емкость конденсатора выражается формулой:

где

С — это емкость, Фарад

Q — количество заряда на одной из обкладок конденсатора, Кулоны

U — напряжение между пластинами, Вольты

Получается, 1 Фарад — это когда на обкладках конденсатора хранится заряд в 1 Кулон и напряжение между пластинами 1 Вольт. Емкость может принимать только положительные значения.

Значение в 1 Фарад — это слишком много. На практике в основном пользуются значениями микрофарады, нанофарады и пикофарады. Хочу вам напомнить, что приставка «микро» — это 10-6 , «нано» — это 10-9 , пико — это 10-12 .

Плоский конденсатор и его емкость

Плоским конденсатором называют конденсатор, который состоит из двух одинаковых пластин, которые параллельны друг другу. Пластины могут быть разной формы. На практике чаще всего можно встретить квадратные, прямоугольные и круглые пластины. Давайте рассмотрим простой плоский квадратный конденсатор.

плоский конденсатор

где

d — расстояние между пластинами конденсатора, м

S — площадь самой наименьшей пластины, м2

ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика между обкладками конденсатора

Готовая формула для плоского конденсатора будет выглядеть так:

где

С — емкость конденсатора, ф

ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика

ε0 — диэлектрическая постоянная, ф/м

S — площадь самой наименьшей пластины, м2

d — расстояние между пластинами, м

Да, знаю, у вас сразу возникает вопрос: «А что такое диэлектрическая постоянная?» Диэлектрическая постоянная — это постоянная величина, которая нужная для вычислений в некоторых формулах электромагнетизма. Ее значение равняется 8, 854 × 10

-12 ф/м.

Диэлектрическая проницаемость — эта величина зависит от типа диэлектрика, который находится между обкладками конденсатора. Например, для воздуха и вакуума это значение равняется 1, для некоторых других веществ можете посмотреть в таблице.

Какой можно сделать вывод из этой формулы? Хотите сделать конденсатор с огромной емкостью, делайте площадь пластин как можно больше, расстояние между пластинами как можно меньше и заправляйте вместо диэлектрика дистиллированную воду.

В настоящее время конденсаторы делают из нескольких пластин в виде слоеного торта. Это примерно выглядит вот так.

многослойный конденсатор

В этом случае формула такого конденсатора примет вид:

формула многослойного конденсатора

где n — это количество пластин

Максимальное рабочее напряжение на конденсаторе

Все конденсаторы имеют какое-то предельное напряжение, которое можно на них подавать. Дело все в том, что может произойти пробой диэлектрика, и конденсатор выйдет из строя. Чаще всего это напряжение пишут на самом корпусе конденсатора. Например, на электролитическом конденсаторе.

максимальное рабочее напряжение конденсатора

В технической документации этот параметр чаще всего обозначается, как WV, что с английского Working Voltage (рабочее напряжение), или DC WV — Direct Current Working Voltage — постоянное рабочее напряжение конденсатора.

Здесь есть один нюанс, о котором часто забывают. Дело в том, что на конденсаторе написано именно на какое постоянное напряжение он рассчитан, а не переменное. Если такой конденсатор, как на рисунке выше, с максимальным рабочим напряжением в 50 Вольт вставите в цепь переменного тока с источником питания, который выдает 50 Вольт переменного тока, то ваш конденсатор взорвется. Так как 50 Вольт переменного тока — это действующее напряжение. Его максимальное значение будет 50 × √2 = 70,7 Вольт, что намного больше, чем 50 Вольт.

Ток утечки конденсатора

Дело все в том, что какой бы ни был диэлектрик, конденсатор все равно рано или поздно разрядится, так как через диэлектрик, как ни странно, все равно течет ток. Величина этого тока у разных конденсаторов тоже разная. Электролитические конденсаторы обладают самым большим током утечки.

Также ток утечки зависит от напряжения между обкладками конденсатора. Здесь уже работает закон Ома: I=U/Rдиэлектрика . Поэтому, никогда не стоит подавать напряжение больше, чем максимально рабочее напряжение, прописанное в даташите или на самом конденсаторе.

Неполярные конденсаторы


К неполярным конденсаторам относят конденсаторы, для которых неважна полярность. Такие конденсаторы обладают симметричностью. Обозначение неполярных конденсаторов на электросхемах выглядит вот так.

обозначение конденсатора на схеме

Конденсаторы переменной емкости

Эти виды конденсаторов имеют воздушный диэлектрик и могут менять свою емкость под действием внешней силы, например, такой как рука человека. Ниже на фото советские типы таких переменных конденсаторов.

переменные конденсаторы

Современные выглядят чуточку красивее

подстроечные конденсаторы

Переменный конденсатор от подстроечного отличается лишь тем, что переменный конденсатор крутят чаще, чем подстроечный. Подстроечный крутят раз в жизни)

На схемах обозначаются так.

переменный конденсатор обозначение на схеме

Слева -переменный, справа — подстроечный.

Пленочные конденсаторы

Пленочные конденсаторы являются самыми распространенными в большом семействе конденсаторов. Они названы так потому, что вместо диэлектрика здесь используется тонкая пленка, которая может состоять из полиэстера, полипропилена, поликарбоната, тефлона и много еще из чего. Такие конденсаторы идут от номинала 5 пФ и до 100 мкФ. Они могут быть сделаны по принципу бетерброда

А также по принципу рулета

Давайте рассмотрим К73-9 советский пленочный конденсатор.

к73-9 советский конденсатор

Что же у него внутри? Смотрим.

Как и ожидалось, рулончик из фольги с диэлектриком-пленкой

что внутри конденсатора

Керамические конденсаторы

Керамические конденсаторы — это конденсаторы, которые изготавливают из керамики или фарфора, которые покрывают серебром. Берут диск квадратной или круглой формы, напыляют с с двух сторон серебро, выводят выводы и вуаля! Конденсатор готов! То есть и есть самый простой плоский конденсатор, о котором мы говорили выше в этой статье.

Хотите получишь емкость больше? Не вопрос! Складываем диски в бутерброд и увеличиваем емкость

Выглядеть керамические конденсаторы могут вот так:

керамические конденсаторыкерамические каплевидные конденсаторы

SMD конденсаторы

SMD конденсаторы — это керамические конденсаторы, которые построены по принципу бутерброда.

строение SMD конденсатора

Они используются в микроэлектронике, так как обладают крошечными размерами и удобны в плане промышленного производства с помощью роботов, которые автоматически расставляют SMD компоненты на плату.Такой тип конденсаторов вы без труда можете найти на платах своих мобильных телефонов, на материнских платах компьютеров, а также в современных гаджетах.

Полярные конденсаторы

Для полярных конденсаторов очень важно не путать выводы местами при монтаже. Плюсовая ножка должны подключаться к плюсу на схеме, а минусовая — к минусу. Обозначается полярные конденсаторы также, как и их собратья. Единственное отличие — это указание полярности такого конденсатора. Выглядеть на схемах они могут вот так.

обозначение полярных конденсаторов на схеме

Электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы используется в электронике и электротехнике, где требуются большие значения емкости. Также повелось название «электролиты».

электролитические конденсаторы

Строение электролитических конденсаторов очень похоже на пленочные конденсаторы, которые также собраны по принципу рулета, но с одной только разницей. Вместо диэлектрика здесь используется оксид алюминия.

строение электролитического конденсатора

Давайте разберем один из таких электролитических конденсаторов во благо науки.

Снимаем его корпус и видим тот самый рулетик

Разматываем «рулетик» и видим, что между двумя обкладками металлической фольги у нас находится бумага, пропитанная каким-то раствором.

что внутри электролитического конденсатора

Некоторые ошибочно полагают, что бумага — это и есть тот самый диэлектрик, хотя это в корне неверно. Как она может быть диэлектриком, если она смочена в растворе, который проводит электрический ток?

На самом же деле диэлектриком в данном случае является тончайший слой оксида алюминия, который производится электрохимическим способом еще на производстве. Все это выглядит приблизительно вот так:

схема строения электролитического конденсатора

Слой оксида алюминия настолько тонкий, что можно изготавливать конденсаторы бешеной емкости с малыми габаритами. Вы ведь не забыли формулу емкости для плоского конденсатора?

где d — это и есть тот самый слой оксида алюминия. Чем он тоньше, тем больше емкость.

На полярных конденсаторах часто можно увидеть вот такой значок-стрелку, которая указывает на минусовый вывод конденсатора.

обозначение минусового вывода электролитического конденсатора

То есть  в электрических схемах с постоянным током вы должны обязательно соблюдать правило: плюс на плюс, а минус на минус. Если перепутаете, то конденсатор может бахнуть.

Танталовые конденсаторы

Танталовые конденсаторы доступны как в мокром так и в сухом исполнении. Хотя, в сухом исполнении они намного более распространены. Здесь в качестве диэлектрика используется оксид тантала. Оксид тантала обладает более лучшими свойствами, по сравнению с оксидом алюминия. Если самый большой минус электролитических конденсаторов — это их большой ток утечки, то танталовые конденсаторы лишены такого недостатка. Минус танталовых конденсаторов в том, что они рассчитаны на более низкое напряжение, чем их собраться — электролиты. Танталовые конденсаторы также полярные, как и электролитические конденсаторы.

Выглядеть танталовые конденсаторы могут вот так

 

танталовые конденсаторы

ну или так

танталовые конденсаторы капли

 

 

 

[quads id=1]

Ионисторы

Есть также  особый класс конденсаторов — ионисторы. Иногда их еще называют суперконденсаторами или золотыми конденсаторами. Нет, не потому, что  там есть золото. Сам принцип работы ионистора ценее, чем золото.  Для того, чтобы получить максимальную емкость мы должны намазать «сгущенку»(диэлектрик)  тонким-тонким слоем или увеличить площадь блинов (металлических пластин). Так как без конца увеличивать слой блинов очень затратно, разработчики решили уменьшить слой диэлектрика. Так как диэлектрический слой между обкладками ионистора , то есть «слой сгущенки», составляет 5-10 нанометров, следовательно емкость ионистора достигает впечатляющих значений! Вы только представьте, какой заряд может накопить такой суперконденсатор!

Емкость таких конденсаторов может достигать до десятка фарад. Поверьте, это очень много. Ионисторы выглядят, как обычные таблетки, а  также могут выглядеть как цилиндрические конденсаторы. Для того, чтобы различить их от конденсаторов, достаточно взглянуть на емкость, которая на них указана. Если там единицы Фарад, то это однозначно ионистор!

ионистор

большой ионистор

В настоящее время ионисторы стали очень широко применяться в электронике и электротехнике. Они заменяют маленькие батарейки с малым напряжением, потому что ионистор конструктивно пока что не могут сделать на напряжение более нескольких Вольт. Но можно соединить их последовательно и набрать нужное напряжение. Но удовольствие это не дешевое :-).

Они также очень быстро заряжаются, так как их сопротивление ограничено только их выводами.  А исходя из закона Ома, чем меньше сопротивление проводника, тем большая сила тока течет по нему и следовательно тем быстрее заряжается ионистор. Заряжать и разряжать ионисторы можно почти бесконечно.

Конденсатор в цепи постоянного тока

Итак, берем блок питания постоянного напряжения и выставляем на его крокодилах напряжение 12 Вольт. Лампочку берем тоже на 12 Вольт. Теперь в разрыв цепи вставляем конденсатор.

Нет, лампочка не горит.

А  вот если исключить конденсатор из цепи и подключить напрямую к лампочке, то лампа горит.

Отсюда напрашивается вывод: постоянный ток через конденсатор не течет! То есть в цепи постоянного тока идеальный конденсатор оказывает бесконечно большое сопротивление.

Если честно, то в самый начальный момент подачи напряжения ток все-таки течет на доыли секунды. Все зависит от емкости конденсатора.

Конденсатор в цепи переменного тока

Для того, чтобы узнать, как ведет себя конденсатор в цепи переменного тока, нам надо собрать простейшую схему, которая представляет из себя делитель напряжения. Смысл опыта такой: с помощью генератора частоты мы будем менять только частоту, а амплитуду оставим неизменной. По сути красная точка нам будет показывать сигнал с генератора частоты, а желтая — сигнал на резисторе. Снимая сигнал с резистора, мы можем косвенно узнать, как ведет себя конденсатор исходя из законов делителя напряжения.

С помощью осциллографа мы будем снимать сигнал с красной и желтой точек относительно земли.

Думаю, этот генератор частоты вполне пойдет.

Для начала возьмем конденсатор на 1мкФ и резистор на 100 ом.

 

Далее за дело берется цифровой осциллограф OWON SDS 6062. Что такое осциллограф и с чем его едят, читаем здесь.  Будем использовать сразу два канала, то есть на одном экране будут высвечиваться сразу два сигнала. Здесь на экране уже видны наводки от сети 220 Вольт. Не стоит на это обращать внимание.

Красная осциллограмму снимаем с красной точки в цепи, а желтую — с желтой точки в цепи.

Зависимость сопротивления от частоты и сдвиг фаз

Поехали. Итак, если у нас частота нулевая, то это значит постоянный ток. Постоянный ток, как мы уже видели, конденсатор не пропускает. С этим вроде бы разобрались. Но что будет, если подать переменный ток с частотой в 100 Герц?

[quads id=1]

На дисплее осциллографа были выведены такие параметры, как частота сигнала и его амплитуда (эти параметры помечены белой стрелочкой).

F — это частота

Ma — амплитуда

Красная синусоида показывает сигнал, который выдает нам китайский генератор частоты. Желтая синусоида — это то, что мы уже получаем на нагрузке. В нашем случае нагрузкой является резистор. Ну вот, собственно, и все.

Как вы видите на осциллограмме, с генератора выходит синусоидальный сигнал с частотой в 100 Герц и амплитудой в 2 Вольта, а на резисторе напряжение всего каких-то 136 мВ.

Как вы могли заметить, амплитуда желтого сигнала стала меньше. Это говорит нам о том, что конденсатор стал пропускать переменный ток, но его сопротивление до сих пор очень большое.

Но здесь можно заметить еще одну особенность: осциллограмма напряжения на резисторе сигнала сдвинулась влево, то есть она опережает сигнал с генератора частоты, или научным языком, появляется сдвиг фаз. Опережает именно фаза, а не сам сигнал. Если бы опережал сам сигнал, то у нас бы тогда получилось, что сигнал на резисторе появлялся бы по времени раньше, чем сигнал, поданный на него через конденсатор. Получилось бы какое-те перемещение во времени :-), что конечно же, невозможно.

Сдвиг фаз — это разность между начальными фазами двух измеряемых величин. В данном случае — напряжения. Для того, чтобы произвести замер сдвига фаз, должно быть условие, что у этих сигналов одна и та же частота. Амплитуда может быть любой. Ниже на рисунке приведен этот самый сдвиг фаз или, как еще его называют, разность фаз:

Давайте увеличим частоту  на генераторе до 500 Гц

На резисторе уже получили 560 мВ. Сдвиг фаз уменьшается. Получается, что мы чуть-чуть увеличили частоту, и сопротивление конденсатора стало меньше.

Увеличиваем частоту до 1 КГц

На резисторе у нас напряжение 1 Вольт. Напряжение не резисторе растет с увеличением частоты. Это говорит о том, что сопротивление конденсатора стало еще меньше.

Ставим частоту 5 КГц

Амплитуда 1,84 Вольта и сдвиг фаз явно становится меньше

Увеличиваем до 10 КГц

Амплитуда уже почти  такая же как и на входе. Сдвиг фаз менее заметен.

Ставим 100 КГц.

Сдвига фаз почти нет. Напряжение не резисторе почти сравнялось с напряжением генератора частоты. Это говорит о том, что конденсатор почти не оказывает сопротивление на высоких частотах.

Получился парадокс. Постоянный ток конденсатор не пропускает, а вот токи высокой частоты — без проблем!

Отсюда делаем глубокомысленные выводы:

Чем больше частота, тем меньшее сопротивление конденсатор оказывает переменному току. Сдвиг фаз убывает с увеличением частоты почти до нуля. На бесконечно низких частотах его величина составляет 90 градусов или π/2.

Если построить обрезок графика, то получится типа что-то этого:

Зависимость сопротивления от номинала конденсатора

Итак, мы с вами узнали, что сопротивление конденсатора зависит от частоты. Но только ли от частоты? Давайте возьмем конденсатор емкостью в 0,1 микрофарад, то есть номиналом в 10 раз меньше, чем предыдущий и снова прогоним по  этим же частотам.

Смотрим и анализируем значения:

Внимательно сравните амплитудные значения желтого сигнала на одной и той же частоте, но с разными номиналами конденсатора. Например, на частоте в 100 Гц  и номиналом конденсатора в 1 мкФ амплитуда желтого сигнала равнялась 136 милливольт, а на этой же самой частоте амплитуда желтого сигнала, но с конденсатором в 0,1 мкФ уже была 101 милливольт (в реальности еще меньше из за помех). На частоте 500 Герц —  560 милливольт и 106 милливольт соответственно, на частоте в 1 Килогерц — 1 Вольт и 136 милливольт и так далее.

Отсюда вывод напрашивается сам собой: при уменьшении номинала конденсатора его сопротивление становится больше.

Формула сопротивления конденсатора

С помощью физико-математических преобразований физики и математики вывели формулу для расчета сопротивления конденсатора. Прошу любить и жаловать:

где, ХС  — это сопротивление конденсатора, Ом

П — постоянная и равняется приблизительно 3,14 

F — частота, измеряется в Герцах

С — емкость,  измеряется в Фарадах

Так вот, поставьте в эту формулу частоту в  ноль Герц. Частота в ноль Герц — это и есть постоянный ток. Что получится? 1/0=бесконечность или очень большое сопротивление. Короче говоря, обрыв цепи.

Последовательное и параллельное соединение конденсаторов

При последовательном соединении  конденсаторов

последовательное соединение конденсаторов

 

Их общая емкость будет вычисляться по формуле

последовательное сопротивление конденсаторов формула

 

 а при параллельном соединении

параллельное соединение конденсаторов

 

их общая емкость будет вычисляться по формуле

формула параллельного соединения конденсаторов

 

Также в интернете нашел очень интересное видео по теме конденсаторов

 

Похожие статьи по теме «конденсатор»

ESR конденсатора

Как проверить конденсатор мультиметром

RC цепь

Схемы соединения конденсаторов

При проектировании и построении различных электрических цепей широко используются конденсаторы (емкости). В разрабатываемых схемах они могут соединяться как с другими электронными компонентами, так и между собой. Во втором случае такие соединения подразделяются на последовательные, параллельные, и последовательно-параллельные. Нужно еще отметить, что последовательно-параллельные соединения конденсаторов иначе называются смешанными.

Последовательное соединение конденсаторов

Это способ соединения конденсаторов ( электрических емкостей ) используется тогда, когда то напряжение, которое к ним подводится, выше чем то, на которое они рассчитаны. Используется оно в подавляющем большинстве случаев для того, чтобы избежать пробоев этих элементов устанавливаемых в электронных схемах.

Конденсаторы, соединенные между собой последовательно – это, по сути дела, цепочка. В ней вторая обкладка первого элемента соединяется с первой обкладкой второго; первая обкладка третьего – со второй второго и так далее.

Последовательное соединение конденсаторов

 

Напряжение на конденсаторах обратно пропорционально ёмкостям конденсаторов.

 

Cобщ =

C1 × C2 × C3

C1 + C2 + C3

 

Наибольшее напряжение будет на конденсаторе с наименьшей ёмкостью.

Параллельное соединение конденсаторов

Этот способ соединения конденсаторов используется тогда, когда необходимо существенно увеличить их общую емкость. Суть такого наращивания состоит в том, что значительно возрастает общая площадь пластин по сравнению с той, которую имеет каждый конденсатор в отдельности. Что касается общей емкости всех конденсаторов, соединенных друг с другом параллельно, то она равняется сумме емкостей каждого из них.

Параллельное соединение конденсаторов

 

 

 

  • Cобщ = C1 + C2 + C3
  • Uобщ = U1 = U2 = U3
  • qобщ = q1 + q2 + q3

Смешанное соединение конденсаторов

Как нетрудно догадаться из самого названия, этот тип соединения конденсаторов представляет собой ни что иное, как некую комбинацию описанных выше. То есть, смешанное соединение конденсаторов – это сочетание их соединения параллельного и последовательного.

На практике в большинстве случаев оно используется тогда, когда отдельные элементы по таким характеристикам, как емкость и рабочее напряжение, не соответствуют тем параметрам, которые нужны для функционирования электротехнической установки. Когда конденсаторы соединяются между собой именно по такой схеме, то в первую очередь определяются те эквивалентные емкости, которые имеют их параллельные группы, а затем та емкость, которую имеет соединение последовательное.

Смешанное соединение конденсаторов

 

 

C2;3 = C2 + C3

 

 

Cобщ =

C1 × C2;3

C1 + C2;3

Обозначение конденсаторов на схеме: как это происходит

Если требуется устройство для накопления заряда в схеме, используются конденсаторы. При рассмотрении элементов учитывается их удельная емкость, а также плотность энергии. Предусмотрено множество типов устройств, отличающихся по сборке и предназначению.

Описание

Конденсатор является двухполюсным элементом, которой служит уплотнителем. Основная задача — удержание переменной емкости в цепи. В момент подачи напряжения происходит перезарядка элемента. Далее осуществляется процесс накопления заряда и энергии электрического поля.

Конденсатор на схеме

Обозначение на схемах

Конденсатор на схеме может по-разному обозначаться в зависимости от цепи. Для понимания маркировки стоит рассмотреть распространённые типы элементов:

  • с постоянной емкостью;
  • поляризованные;
  • танталовые;
  • переменные;
  • триммеры;
  • ионисторы.

Обозначение конденсаторов на схеме связано с ГОСТом 2.728-74. Речь идет о межгосударственном стандарте, в котором прописана маркировка.

Поляризованные

Обозначение электролитических конденсаторов на схемах можно описать, как две горизонтальные полоски со знаком плюс. При рассмотрении товаров есть разделение на полярные и неполярные типы. Те и другие включаются в схему и отличаются по параметрам. Весь секрет заключается в процессе изготовления.

Поляризованный тип

Интересно! На примере алюминиевых моделей видно, что они производятся с обкладкой в фольге. Она выступает в качестве катода и является отличным проводником.

На схеме конденсатор может подсоединяться параллельно либо последовательно. Если взглянуть на цепь, на ней отображается постоянная, а также переменная емкость. Надписи пишутся сокращённо, однако по маркировке можно узнать точное значение. Представленные варианты отличаются высокой степенью стабильности, поэтому применяются в бытовой технике.

Отечественные аналоги продаются в замкнутых корпусах и являются компактными. Поляризованные конденсаторы могут быть пленочными либо керамическими. Учитывается электрика, а также показатель напряжения. Накопитель может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии.

Полупроводниковые конденсаторы считаются наиболее распространёнными, и в цепи обозначаются с показателем предельной ёмкости. В промышленности востребованными остаются твердотельные компоненты, которые применяются в платах управления.

Танталовые

Элементы данного типа обозначаются двумя горизонтальными полосками. они производятся с покрытием диоксида марганца. Компоненты являются востребованными, поскольку обладают высокой мощностью, и по всем параметрам обходят алюминиевые элементы. Весь секрет кроется в использовании сухого электролита.

Танталовые модели

К основным особенностям стоит прописать такое:

  • термостабильность,
  • отсутствие утечек,
  • высокое напряжение,
  • значительный срок годности.

Вместе с тем в цепи конденсаторы страдают при повышенной температуре. У них низкий ток заряда, есть проблема с частотой. Электронная промышленность движется вперёд, поэтому танталовые типы всё чаще используются в платах управления.

Важно! Элементы востребованы по причинам компактных размеров и высокого напряжения.

Если рассматривать твердотельные модификации, они состоят из диэлектрика, защитного покрытия, а также катода с анодом. В цепи компоненты не бояться пониженных частот, поскольку учитывается высокое значение импеданса. Графический показатель рассчитывается, как отношение индуктивности к определенной емкости.

Дополнительно при рассмотрении схем конденсатора берется в расчет показатель фильтрации сигналов. Как правило, он не превышает 100 км. Чтобы элемент работал должным образом, определяется безопасный уровень тока и частоты.

Рассчитывается максимальная мощность компонента и уровень сопротивления, относительно рабочей частоты. В документации графической формы указывается параметр ESR, он демонстрирует мощность рассеивания. В цепи существует ряд факторов, влияющих на показатели:

  • сигнал;
  • максимальная температура;
  • корректирующий множитель.

Чтобы просчитать среднюю частоту по схеме, рассчитывается среднеквадратичный ток. Для этого берется в расчет минимальное значение емкости и номинальная мощность. Если рассматривать печатные платы, конденсаторы могут обозначать значениями FR4, FR5, G10. Рядом с элементами подписывается параметр емкости.

Важно! При осмотре схемы учитываются размеры контактных зон.

Правила установки танталовых изделий:

  • требуется паяльная паста;
  • выбор места;
  • доступные способы пайки.

Чтобы танталовый конденсатор эффективно работал на плате, подбирается паяльная паста и наносится толщиной в 0.02 мм. Некоторые используют материалы с флюсом, такое также допускается. Основная проблема — это подбор оптимального режима пайки. При установке танталового конденсатора обращается внимание на маркировку, стоит обращать внимание на обозначение ёмкости.

Также показана полярность, номинальное напряжение. Проще всего восстанавливать конденсаторы стандартных типоразмеров. Процесс производится вручную либо на фабрике. Там с этой целью используются конвекционные либо инфракрасные печи. Помимо ручной пайки известным считается волновой метод.

Ручная пайка

Основное требование — поддержание оптимальной температуры для подогрева контакта. После пайки следует заняться чисткой. С этой целью подойдут растворы Prelete, Chlorethane, Terpene. Важное требование — это отсутствие такого элемента, как дихлорметан.

Переменные

Конденсаторы переменного типа изображены с перечеркнутыми двумя горизонтальными полосками. Особенность данного типа заключается в изменении емкости посредством воздействия механической силы. Напряжение на обкладке может изменяться, учитываются показатели в колебательных контурах.

Устройства применимы в схеме приемника либо передатчика. Элементы используются на пару со стабилизаторами, тримерами. Переменные конденсаторы, наравне с подстрочными элементами применяются в колебательных контурах. Их основная задача — измерение резонансной частоты. Как вариант, компоненты встречаются в цепях радиоприемника, используются на пару с усилителями.

Переменный тип

Если говорить об антенных устройствах, конденсаторы незаменимые для генераторов частоты. В качестве основы применяются твердые резисторы и органическая плёнка. На рынке представлены керамические варианты компактных размеров. Есть товары с одной или двумя секциями, у которых отличаются показатели емкости.

Если рассматривать многосекционные модели, они обозначаются, как 6 горизонтальных полосок в цепи. Также существует построечный тип для радиоаппаратуры. За основу элемента взят воздушный диэлектрик, который используется в цепи переменного тока. Конденсаторы применимы в блоках питания и фильтрах.

Важно! Радиолюбители знают о проблеме с низкой частотой и необходимостью подгонки ёмкости.

Конденсаторы-триммеры

Данный тип конденсаторов на схеме обозначен в виде двух горизонтальных полосок со стрелкой. Речь идёт о компактных элементах, использующихся в печатных платах. У них крайне низкие показатели емкости, учитывается незначительная частота. По структуре модель отличается от переменных конденсаторов.

Триммеры

Ионистор

Ионистор на схеме показан, как стандартный электролитический конденсатор — две горизонтальные полоски со знаком плюс. Элемент производится без диэлектрика и не обладает потенциальным зарядом. Знак «+» показывает полярность конденсатора на схеме.

По структуре ионистор содержит сепаратор, уплотнительный изолятор, а также электроды. Если смотреть параметры, учитывается такое:

  • внутреннее сопротивление,
  • предельный ток,
  • номинальное напряжение,
  • уровень саморазряда,
  • предельная емкость,
  • срок годности.

В принципиальной сети элемент используется в блоках питания. Также он подходит для таймера, других цифровых устройств. Даже если заглянуть в смартфон либо планшет, на плате найдётся данный элемент.

Ионистор

Температурный коэффициент

Когда изменяется температура окружающей среды, емкость конденсатора также меняется. Чтобы отслеживать данный коэффициент, берется в расчет показатель ТКЕ. По формуле он представляет собой соотношение начальной емкости и изменения температуры. Первоначально отслеживаются нормальные условия работы компонента.

При значительном повышении температуры используются линейные уравнения, в которых задаются показатели рабочих условий функционирования конденсатора. Также указывается стартовая ёмкость в качестве ориентира. Показатель ТКЕ необходим для подготовки описания к элементам.

Показатель ТКЕ

Если взглянуть на спецификацию, прописываются все параметры. При подборе компонентов пользователи желают знать, как устройство реагирует на изменение температуры. Чаще всего речь идет о постоянном показателе, поэтому стоит рассматривать график с диапазоном рабочих температур.

Маркировка

Если взглянуть на схему, отечественные компоненты отмечаются с набором характеристик:

  • ёмкость,
  • номинальное напряжение,
  • дата выпуска,
  • расположение маркировки на корпусе,
  • цветовая маркировка отечественных радиоэлементов.

Важно разбираться в показателях, уметь расшифровывать аббревиатуры. Таким образом, получится точно определить тип конденсатора.

Маркировка отечественных радиоэлементов

Ёмкость

Емкость конденсатора измеряется в фарадах (Ф), микрофарадах (мкФ) или пикофарадах (пФ) и прописываться рядом со значком элемента. На схемах учитывается постоянный, переменный, саморегулирующийся параметр. Номинальная емкость дублируется на корпусе конденсатора. Так, на элементе могут указываться обозначения:

  • 5П1 — 5,1 пФ.
  • h2 — 100 пФ.
  • 1Н — 1000 пФ.
Номинальная емкость

Номинальное напряжение

Показатель номинального напряжения измеряется в вольтах, регулируется ГОСТом 9665 — 77. Если взглянуть на схему, встречается надпись С1 100В. В данном случае говорится о номинальном напряжении в 100 вольт. Таким образом, определяется электролитическая прочность компонента. Специалист способен рассчитать толщину диэлектрика, учитывая прочие факторы.

Номинальное напряжение

Зная показатель напряжения сети, открывается представление о сфере использования элемента. Если не учитывать данный параметр, конденсатор может не справится с возложенной на него нагрузкой. Весь секрет заключается в типе используемой обкладки. Также в расчет берутся рабочие температуры.

Дата выпуска

Если присмотреться к элементам, в конце маркировки оказывается 4 цифры. Они показывают год, а также месяц изготовления элемента. К примеру, на конденсаторе может быть указано «9608». Из этого следует, что элемент изготовлен в 1996 году, в августе месяце. Правила нанесения маркировки прописаны в ГОСТе 30668-2000.

Маркировки по ГОСТу 30668-2000

Расположение маркировки на корпусе

Чтобы быстро отыскать необходимую информацию на корпусе конденсатора, маркировка находится на передней стороне. Если рассмотреть плёночный компонент, либо другой тип, регламент четко прописан в ГОСТе и дублируется в технических инструкциях. Производитель обязательно использует цветовые индикаторы полосками. и цифровые обозначения.

Цветовая маркировка отечественных радиоэлементов

По цветовой маркировке можно узнать информацию о множителе, номинальной емкости и даже рабочей температуре.

  • Золотистый цвет (указывает на низкий параметр множителя — 0.01 допуск составляет не более 5%).
  • Серебристый (множитель 0.1, показатель допуска не больше 10%).
  • Чёрный (множитель 1, допуск 20%).
  • Коричневый (указывает на емкость 1 мкФ, множитель равняется 10, а допуск не более 1%).
  • Красный (говорит о номинальной емкости 2 пф, множитель составлять 10 в квадрате, допуск около 2%).
  • Оранжевый (это элемент с ёмкостью 3 пф, множитель 10 в третьей степени).
  • Жёлтый цвет (элементы с емкостью 4 пф, множитель у них 10 в четвёртой степени).
  • Зелёный цвет (элементы с множителем 10 в пятой степени, показатель 4 пф)
  • Голубой цвет (на 6 пф, множитель 10 в 6 степени, отклонения 0.25 процентов).
  • Фиолетовый (допуск от 0.1 процентов, параметр множителя 10 в седьмой степени, а емкость 7 пФ).
  • Серый (допуск 0.05 процентов, ёмкость 8 пф, множитель — 10 в восьмой степени).
  • Белый (элемент на 9 пф, множитель 10 в девятой степени).
Цвета конденсаторов

Маркировка конденсаторов импортного производства

Рассматривая маркировку импортных конденсаторов, необходимо понимать, что первые цифры показывают емкости. Далее следует количество нолей и потом показателя ЕТК. Ниже указывается допустимое рабочее напряжение, к примеру, взять электролитический конденсатор с ёмкостью 100 пф, на нём будет обозначение «100n». Также прописывается допустимое напряжение, например, 120 вольт.

Выше подробно расписаны типы конденсаторов. Каждый из элементов имеет определённое обозначение на схеме. Чтобы разбираться в них, стоит изучить таблицу со значениями и цветами.

Что такое конденсатор, как обозначается на схемах, единицы емкости

Знакомство с конденсатором для тех кто только начинает знакомиться с радиоэлектроникой и радиолюбительством. Что такое конденсатор. какие бывают конденсаторы, как они обозначаются на принципиальных схемах, единицы измерения емкости конденсаторов, включение конденсаторов.

Что такое конденсатор

Конденсатор, это радиодеталь, обладающая электрической емкостью. Конденсатор можно зарядить и он будет хранить заряд, апотом готов отдать его «по первому требованию». На первый взгляд это похоже на работу аккумулятора, но только на первый взгляд.

Конденсатор не является химическим источником тока, да и вообще источником тока. Конденсатор можно назвать временным хранилищем заряда. Заряд в нем можно пополнять и забирать. Во время зарядки и разрядки конденсатора через него протекает ток.

Напряжение на разряженном конденсаторе равно нулю. Но в процессе зарядки напряжение увеличивается, и как только достигает величины напряжения источника тока, заряд прекращается. С нарастанием напряжения на конденсаторе 8 процессе его зарядки ток зарядки уменьшается.

Физически конденсатор это две металлические пластины, разделенные тонким слоем изолятора. Так и есть. Выходит, что конденсатор пропускать электрический ток не может. Но в процессе зарядки и разрядки ток есть.

То есть, можно сказать, что конденсатор может пропускать изменяющийся ток. то есть, переменный. А постоянный он не пропускает. Это свойство широко используется в электронике и радиотехники для разделения переменного и постоянного токов, которые есть в одной и той же цепи.

Если сопротивление конденсатора постоянному току бесконечно (активное сопротивление), то на переменном токе он обладает весьма определенным реактивным сопротивлением, зависящим от емкости конденсатора и частоты переменного тока.

Еще конденсаторы применяют для задержки подачи напряжения, в таймерах. Там используется то свойство конденсатора, что скорость его заряда или разряда зависит от силы тока заряда или разряда. А если этот ток ограничить резистором, то чем больше будет сопротивление этого резистора, тем дольше будет процесс заряда или разряда.

Если у резистора основным параметром является сопротивление, то у конденсатора -емкость, которая выражается 8 фарадах. Величина 1F (одна фарада) довольно велика, поэтому чаще всего речь идет о микрофарадах, нанофарадах, пикофарадах. Конденсаторы так же как и резисторы бывают постоянные (емкость которых не измена), переменные и подстроечные (с ручкой для регулировки емкости).

Обозначение конденсатора на схемах

В отличие от постоянных резисторов, которые в большинстве своем похожи на бочонок с двумя выводами, постоянные конденсаторы бывают самых разных форм и размеров. Но разделить их можно на две группы, — полярные и неполярные. Разница в том, что у полярного конденсатора есть плюс и минус и подключать в схему его нужно с учетом полярности.

А у неполярного конденсатора выводы равнозначны. На рисунке 1 показаны обозначения конденсаторов, А — неполярный, Б — полярный. В -переменный, Г — подстроечный.

Рис. 1. Обозначение конденсаторов на принципиальных схемах.

Кроме емкости, выраженной, чаще всего в пикофарадах или микрофарадах (иногда и в нанофарадах), другим важным параметром является максимально допустимое напряжение. Если к обкладкам (выводам) конденсатора приложить напряжение выше этой величины может произойти пробой изолятора и конденсатор выйдет из строя.

Если говорят что «конденсатор на 250V», это значит, что на конденсатор нельзя подавать напряжение больше 250V. Меньше -пожалуйста, начиная от нуля. Но больше этой величины, — ни в коем случае!

Таким образом, у конденсатора есть два основных параметра, — емкость, выраженная 8 десятичных долях Фарады (микрофарады, нанофарады, пикофарады), и максимальное напряжение, выраженное в Вольтах.

На схемах значение емкости обычно пишут 8 пикофарадах (р, pF, пФ) и микрофарадах (pF, м, мкФ). 1 мкФ = 1000000 пФ. Но встречаются обозначения и в нанофарадах (nF, п) обычно на зарубежных схемах. 1nF = 1000pF. Бывает что на схемах буква, обозначающая кратную приставку используется как децимальная запятая, например, 1500 р = 1,5n = 1N5 или 1n5.

На многих схемах зарубежной аппаратуры встречается замена греческой буквы «р» на латинскую «и». То есть, 10 микрофарад у них будет так: «10uF». Возможно, это связано с отсутствием греческого шрифта в программе с помощью которой нарисована схема.

Включение конденсаторов

Для получения нужной емкости иногда приходится соединять два конденсатора параллельно или последовательно (рис.2.). При параллельном соединении общая емкость рассчитывается как сумма емкостей:

Собщ = С1 + С2.

При последовательном соединении приходится пользоваться более сложной формулой: Собщ = (С1«С2) / (С1+С2) .

Рис. 2. Параллельное и последовательное включение конденсаторов, формулы для расчета емкости.

Маркировка конденсаторов

Теперь о маркировке конденсаторов. Здесь как и у резисторов есть несколько стандартов. Если конденсатор достаточно больших размеров, то на нем емкость может быть так и указана, например, на стакане оксидного конденсатора емкостью 10 мкФ так и будет написано: 10 pF или 10 мкФ, далее будет указано напряжение, например, 25V, и отмечена полярность выводов, у отечественных конденсаторов возле положительного вывода будет «+», а у иностранных возле отрицательного вывода будет «-» или полоска.

На крупных неполярных конденсаторах тоже все будет написано просто и ясно, например, на конденсаторе типа К73-14 емкостью 0,22 мкФ на максимальное напряжение 250V будет так и написано: 0,22pF 250V.

Сложнее с маленькими керамическими или слюдяными неполярными конденсаторами. Места здесь для маркировки мало, поэтому придумывают сокращения. Например, на конденсаторах типа К10-7 в виде пластинок емкость указывается с использованием кратной приставки как децимальной запятой, вот несколько примеров такой маркировки:

  • 150 пФ — «150р» или «150п»
  • 1500 пФ — «1N5» или «1Н5»
  • 15000пФ (0,015 мкФ) — «15N» или «15Н» .

У зарубежных керамических конденсаторов используется такая же маркировка как у резисторов, только за основу идет не единицы Ом, а единицы Пикофарад. Обозначение состоит из трех цифр. Первые две —

значение в пФ, а третья — множитель, практически численно показывающая сколько нулей нужно приписать, чтобы получилось значение выраженное в пФ. Вот несколько примеров такого обозначения:

  • 15 пФ — «150» (к 15 приписать 0 нолей)
  • 150 пФ — «151»(к 15 приписать 1 ноль)
  • 1500 пф — «152» (к 15 приписать 2 ноля)
  • 0,015 мкФ (15000 пФ) — «153» (к 15 приписать 3 нуля).
  • 0,15 мкФ (150000 пФ) — «154» (к 15 приписать 4 нуля).

Эксперимент с конденсатором

Чтобы практически познакомиться со способностью конденсатора накапливать заряд можно провести один эксперимент. Возьмем оксидный конденсатор типа К50-35 емкостью 2200 мкФ и соберем схему, показанную на рисунке 3. Здесь мы будем заряжать конденсатор от батарейки, и разряжать через лампочку от карманного фонаря.

Когда переключатель S1 находится в показанном на схеме положении, через него и резистор R1 конденсатор С1 заряжается. Переключаем S1 в нижнее по схеме положение, и конденсатор С1 разряжается через лампочку Н1.

Рис. 3. Схема простого эксперимента с конденсатором.

Теперь приступаем к делу. Переключаем S1 вниз по схеме и лампочка вспыхивает. Горит она недолго. Затем, возвращаем S1 в исходное положение. Конденсатор заряжается от батарейки. И снова переключаем S1 вниз по схеме.

Лампочка опять вспыхивает, так как на неё поступает заряд, накопленный конденсатором. Если слишком быстро переключать S1 лампа будет вспыхивать слабее, или вообще не будет вспыхивать, так как С1 не успевает зарядиться через R1.

РК-2010-04.

Конденсатор | Страница 3 из 6 | Electronov.net

Тангенс угла диэлектрических потерь:

Так как реальные среды анизотропные и неоднородные, диэлектрическая проницаемость будет иметь комплексный вид:

Тангенс угла диэлектрических потерь выражается отношением мнимой и вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости:

где:

γ – проводимость среды;

ω – частота колебаний;

εа – абсолютная диэлектрическая проницаемость.

Очевидно, что у идеального диэлектрика проводимость γ→0, следовательно, тангенс угла потерь показывает степень отличия реального диэлектрика от идеального.

Электрическое сопротивление изоляции диэлектрика конденсатора Rd, ток утечки и саморазряд:

Сопротивление изоляции — это сопротивление конденсатора постоянному току, определяемое соотношением , где: U — напряжение, приложенное к конденсатору, Ileak. — ток утечки.

Из-за тока утечки, протекающего через слой диэлектрика между обкладками и по поверхности диэлектрика, предварительно заряженный конденсатор с течением времени теряет заряд (саморазряд конденсатора). Часто, в спецификациях на конденсаторы, сопротивление утечки определяют через постоянную времени τ саморазряда конденсатора, которая численно равна произведению емкости на сопротивление утечки:

τ — это время, за которое начальное напряжение на конденсаторе, неподключенном к внешней цепи уменьшится в e раз.

Хорошие конденсаторы с полимерными и керамическими диэлектриками имеют постоянные времени саморазряда достигающие многих сотен тысяч часов.

Диэлектрическая абсорбция:

Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путем подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то можно увидеть, что напряжение на обкладках снова появится, как если бы конденсатор разрядили не до нуля. Это явление получило название диэлектрическая абсорбция (диэлектрическое поглощение). Конденсатор ведет себя так, словно параллельно ему подключено множество последовательных RC-цепочек с различной постоянной времени. Интенсивность проявления этого эффекта зависит в основном от свойств диэлектрика конденсатора.

Подобный эффект можно наблюдать практически на всех типах диэлектриков. В электролитических конденсаторах он особенно ярок и является следствием химических реакций между электролитом и обкладками. У конденсаторов с твердым диэлектриком (например, керамических и слюдяных) эффект связан с остаточной поляризацией диэлектрика. Наименьшим диэлектрическим поглощением обладают конденсаторы с неполярными диэлектриками: тефлон (фторопласт), полистирол, полипропилен и т. п.

Эффект зависит от времени зарядки конденсатора, времени закорочения, иногда от температуры. Количественное значение абсорбции принято характеризовать коэффициентом абсорбции, который определяется в стандартных условиях.

Паразитный пьезоэффект:

Многие керамические материалы, используемые в качестве диэлектрика в конденсаторах (например, титанат бария, обладающий очень высокой диэлектрической проницаемостью в не слишком сильных электрических полях) проявляют пьезоэффект — способность генерировать напряжение на обкладках при механических деформациях. Это характерно для конденсаторов с пьезоэлектрическими диэлектриками. Пьезоэффект ведет к возникновению электрических помех, в устройствах, где использованы такие конденсаторы при воздействии акустического шума или вибрации на конденсатор. Это нежелательное явление иногда называют («микрофонным эффектом»).

Также, подобные диэлектрики проявляют и обратный пьезоэффект — при работе в цепи переменного напряжения происходит знакопеременная деформация диэлектрика, генерирующая акустические колебания, порождающие дополнительные электрические потери в конденсаторе.

Самовосстановление:

Конденсаторы с металлизированным электродом (бумажный и пленочный диэлектрик) обладают важным свойством самовосстановления (англ. self-healing, cleaning) электрической прочности после пробоя диэлектрика. Механизм самовосстановления заключается в отгорании металлизации электрода после локального пробоя диэлектрика посредством микродугового электрического разряда.

Разделительный конденсатор

Создание связи по переменному току необходимо, чтобы запретить протекание постоянного тока между определенными точками схемы и обес­печить при этом свободное прохождение переменного тока. Электрон­ные компоненты, обеспечивающие связь по переменному току, например конденсаторы или трансформаторы, обычно устанавливаются на входе и выходе усилителя. Таким образом, заданный режим покоя (статический режим) транзистора не влияет на статические режимы предыдущего и последующего каскадов.

В схеме, приведенной на рис. 23.1. конденсатор связывает точки А и В по переменному току, aR – нагрузочный резистор. Для постоянного тока конденсатор действует как разрыв цепи, полностью блокируя протекание постоянного тока между точками А и В. По этой причине конденсатор связи называют блокировочным или разделительным конденсатором.

Удовлетворительное качество связи по переменному току достигается только в том случае, когда реактивное сопротивление Хс конденсатора на рабочей частоте много меньше сопротивления нагрузочного резистора R. Тогда на этом конденсаторе падает (и теряется) очень малая часть напряжения входного сигнала. Например, если Vвх = 100 мВ, то связь по переменному току можно считать удовлетворительной, когда выходное напряжение          Vвых = 95 мВ и на разделительном конденсаторе падает 5 мВ (5%). Требуемую емкость разделительного конденсатора определяют два фактора.

1.                   Сопротивление загрузочного резистора R. Считая, что удовлетвори­тельная связь но переменному току достигается, когда Хс = R/20, для R = 1 кОм получаем Хс = 50 Ом.

 

 

Рис. 23.1. Установка разделительного                                      Рис. 23.2.  Влияние развязывающего конденсатора.                                                                          конденсатора.

                                                           

Указаны потен­циалы точки А без развязывающего конденсатора (а) и с развязывающим конденсатором (б).

Предположим, что рабочая частота f = 300 Гц. Поскольку Хc = 1/2πfC1, то

Если сопротивление нагрузочного резистора увеличить до 100 кОм, то Хc= R/20 = 1/20·100 = 5 кОм

Таким образом, если сопротивление нагрузочного резистора увеличить в 100 раз (с 1 кОм до 100 кОм), то емкость разделительного конденсатора можно уменьшить в той же пропорции (с 10 мкФ до 0,1 мкФ).

Вообще, чем больше сопротивление нагрузочного резистора, тем мень­ше требуемая емкость разделительного конденсатора.

2. Рабочая частота. Возьмем в качестве исходного вышеприведенный пример, где удовлетворительная связь по переменному току достига­лась при С = 10 мкФ и R = 1 кОм для f = 300 Гц.

Если теперь рабочую частоту увеличить до 300 кГц, то с учетом усло­вия Хс = R/20 = 50Ом получаем

Таким образом, если рабочую частоту увеличить в 1000 раз (с 300 Гц до 300 кГц), то емкость разделительного конденсатора можно уменьшить в 1000 раз (с 10 мкФ до 0,01 мкФ).

Вообще, при заданном сопротивлении нагрузочного резистора для низ­ких рабочих частот необходимо использовать разделительные конденсаторы большой емкости, и наоборот.

Когда речь идет о рабочем диапазоне частот, емкость разделительно­го конденсатора определяется наименьшей частотой из этого диапазона. Обращаясь к рассмотренным выше примерам, мы видим, что конденсатор) емкостью 10 мкФ в соответствии с расчетами обеспечивает адекватную связь по неременному току при частоте 300 Гц и тем более при частоте 300 кГц..1) в точке А постоянный потенциал равен 10 В, а переменный потенциал сигнала — 10 мВ. Кон­денсатор, представляющий собой разрыв цени для постоянного тока, не оказывает никакого влияния на постоянный потенциал точки А, Одна­ко если емкость этого конденсатора такова, что па рабочей частоте его реактивное сопротивление существенно меньше сопротивления резистора R, то конденсатор будет эффективно осуществлять короткое замыкание сигнала переменного тока на землю. Таким образом, потенциал точки А по переменному току будет равен нулю. ёмкость конденсатора С, обес­печивающая удовлетворительную развязку, определяется сопротивлени­ем резистора R и рабочей частотой — но тем же самым формулам, ко­торые использовались для расчета емкости разделительного конденса­тора.

Усилитель с ДС-связью

На рис. 23.3 приведена схема усилителя с ДС-связыо, где С} — входной разделительный конденсатор. Емкость этого конденсатора должна быть сравнительно велика в силу низкого входного сопротивления транзистора в схеме с ОЭ (это сопротивление становится еще меньше за счет шунтиро-вания входа, усилителя резистором R^}. связывает выход усилителя с нагрузкой или следующим каскадом, его емкость сравнима с емкостью конденсатора Ci. Типичные значения емкостей разделитель-ьшх конденсаторов следующие:

10-50 мкФ. 0.01-0,1 мкФ.

для звуковых частот:

для радиочастот:

 

Рис. 23.3. Усилитель с RC-связью с

развязывающим конденсатором С3 в цепи эмиттера.            Рис. 23.4. Инвертирование (измене­ние на 180°) фазы сигнала в усили­теле с ОЭ.

Развязывающий конденсатор

Отрицательная обратная связь через резистор R4 в усилителе на рис. 23.3, с одной стороны, обеспечивает необходимую стабильность усилителя по постоянному току, а с другой стороны, снижает его коэффициент усиле­ния до очень малой величины (2-3). Снижение коэффициента усиления связано с действием отрицательной обратной связи по переменному току, обусловленной падением напряжения сигнала на резисторе R4. Для устранения этой отрицательной обратной связи по переменному току и одновременного сохранения стабильности по постоянному току применя­ется эмиттерный развязывающий конденсатор С3.

Типичные значения емкости эмиттерного развязывающего конденса­тора того же порядка, что и для разделительного конденсатора.

Усиление

Схема, приведенная на рис. 23.3, является законченной схемой однокас­кадного усилителя с ОЭ. При подаче сигнала (например, синусоидальной формы) на вход усилителя этот сигнал передается через конденсатор С1 на базу транзистора. В начале положительного полупериода входного сигнала потенциал базы возрастает относительно потенциала эмиттера, напряжение VBEувеличивается, ток эмиттера Ie, а с ним и ток коллек­тора Ic, возрастают, в результате уменьшается напряжение на коллекторе Vc. Это означает, что положительному полу периоду входного сигнала со­ответствует отрицательный полупериод выходного сигнала. С другой сто­роны, отрицательному полупериоду входного сигнала соответствует поло­жительный полупериод изменения коллекторного напряжения. Таким образом, сигналы на входе и выходе усилителя противофазны, как по­казано на рис. 23.4. Усиление сигнала происходит в силу того, что очень малый размах напряжения VBEприводит к большому размаху тока транзистора, который, проходя через резисторR3, вызывает большой размах коллекторного напряжения.

Линия нагрузки

Выходные характеристики транзистора дают общее представление о рабо­те транзистора. Для того чтобы получить представление о работе транзи­стора в конкретной схеме, нужно начертить линию нагрузки. На рис. 23.5 изображены семейство выходных характеристик транзистора, работаю­щего в схеме усилителя на рис. 23.3, и линия нагрузки XY.

Прежде чем проводить линию нагрузки, нужно сначала зафиксиро­вать две точки, попадающие на эту линию. Лучше всего использовать точку Х на оси х, где ток Ic = 0, и точку Y на оси у, где Vc = 0. Через эти две точки проводится прямая линия — линия нагрузки. Предполагается, что Vc = VCE.

Точка X. В этой точке ток транзистора Ic = 0. Транзистор находится в состоянии отсечки. Следовательно, напряжение на коллекторе Vc = VCC.

Точка Y. Здесь коллекторное напряжение Vc = 0. Подставляя Vc = 0 в уравнение               VCC = Vc + VR3, получаем VCC = VR3. Но VR3 = Ic R3, поэтому VCC = Ic R3. Следовательно,

Ic = VCC / R3.

Рис. 23.5. Линия нагрузки.

Для величин, указанных на рис. 23.3, положение точек Х и Y будет определяться следующими параметрами:

Точка Х          Ic = 0, Vc = VCC = 10 В.

Точка Y         Vc = 0, Ic = VCC/ R3 = 10/3,3 = 3 мА.

Таким образом, XY — это линия нагрузки для нагрузочного резистора сопротивлением        R3 = 3,3 кОм.

При использовании нагрузочного резистора меньшего номинала (2,2 кОм) получаем линию нагрузки ХYa. Положение точки Х не изменяется по сравнению с предыдущим случаем, поскольку напряжение VСС остается тем же самым — 10 В. Для точки Yb получаем Ic = VCC / R3 = 10 В/2,2кОм = 4,55мА.

Нагрузочному резистору более высокого номинала, например 4,9 кОм, соответствует линия нагрузки ХYb с точкой Yb при Ic = 10 В/4, 9 кОм ≈ 2 мА.

Графический анализ

Процесс усиления сигнала осуществляется вдоль линии нагрузки и может быть представлен графически, как показано на рис. 23.6. Точка Q есть статическая рабочая точка, представляющая режим работы усилителя по постоянному току, т. е. в отсутствие сигнала. Рабочая точка задает смещение транзистора в статическом режиме. В рассматриваемом случае смещение определяется следующими величинами:

Ib = 20 мкА, Ic = 1,5 мА, Vc = 5 В.

Рис. 23.6. Графическое представление работы усилителя.

 

Рис. 23.7. Перегрузка усилителя, приводящая к ограничению выходного сиг­нала.

При подаче сигнала базовый ток изменяется по синусоиде с амплитудой 20 мкА (от 0 до 40 мкА). Это приводит к изменению коллекторного тока Ic с размахом 2,8 мА и изменению коллекторного напряжения с размахом около 9 В.

С одной стороны размах входного сигнала ограничен линией Ib = 0, соответствующей отсечке транзистора (точка М на линии нагрузки), а с другой стороны – линией Ib = 40 мкА, соответствующей насыщению транзистора (точка N на линии нагрузки). Для рассматриваемого уси­лителя рабочая точка Q выбирается в середине линии нагрузки. В этом случае при подаче сигнала с амплитудой 20 мкА на базу транзистора базовый ток изменяется в пределах от 0 до 40 мкА, обеспечивая максимальную величину неискаженного выходного сигнала.

 

Рис. 23.8. Графическое представление работы усилителя с использованием пе­редаточной характеристики.

Любая попыт­ка превышения этой величины входного сигнала приводит к искажению формы выходного сигнала. Это хорошо видно на рис. 23.7, где иллюстри­руется случай перегрузки усилителя с результирующим ограничением синусоидального сигнала. Входной и выходной сигналы могут быть так­же представлены графически с помощью передаточной характеристики транзистора (рис. 23.8). Рабочий диапазон усилителя ограничен линей­ным участком характеристики передачи, выход за границы этого участка приводит к искажениям.

Добавить комментарий

Конденсаторы — Общие сведения

Конденсаторы обладают способностью накапливать и сохранять электрический заряд. Заряд сохраняется на двух изолированных друг от друга пластинках конденсатоpa, между которыми приложено внешнее напряжение. Если напряжение между обкладками конденсатора отсутствует, то заряд также отсутствует и принято считать, что конденсатор разряжен.

Все конденсаторы, применяемые в электротехнике, состоят из двух основных частей: пары токопроводящих пластин, или обкладок, и изолирующего материала, называемого диэлектриком, который разделяет обкладки. В самом простом виде конденсатор состоит из двух плоскопараллельных пластин, разделенных вакуумом.

Плоский конденсатор

Вполне очевиден тот факт, что емкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади А его пластин и обратно пропорциональна расстоянию d между ними. Этого следует ожидать, так как если раздвигать пластины на бесконечно большое расстояние, то уменьшающиеся заряды пластин не смогут взаимодействовать друг с другом, а каждая пластина по отдельности уже не будет являться конденсатором. Если заряд накапливается на пластинах, то можно положить, что внесение любого материала k между пластинами повлияет на емкость конденсатора, путем ослабления взаимодействия между заряженными пластинами. Вышеприведенные аргументы можно изложить несколько формальным способом, используя следующее соотношение:

Для того, чтобы рассчитать реальное значение емкости конденсатора, необходимо ввести некоторую постоянную, характеризующую степень ослабления взаимодействия между пластинами за счет введения диэлектрика. Из физики известно, что под действием электростатического поля, возникающего между двумя заряженными обкладками, происходит поляризация диэлектрика, в итоге вызывающая ослабление напряженности этого самого поля. Для учета этого явления, вместо эмпирического коэффициента k, в формулу необходимо ввести специальные физические величины, называемые диэлектрическими постоянными: чтобы получить уравнение, приведенное ниже:

В данном выражении присутствуют две диэлектрические проницаемости: постоянная ε0 известен, как абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума и для системы единиц СИ равен: ε0 = 8,854 * 10-12 Ф/м. Константа εr., характеризует относительную диэлектрическую проницаемость материала, помещенного в качестве диэлектрика между пластинами конденсатора, связана со значением абсолютной диэлектрической проницаемости, причем всегда значение εr > 1.

Несложный расчет, проведенный с использованием данного уравнения, показывает, что в условиях вакуума (хотя с известным приближением можно считать, что результат, полученный для условий воздушного зазора, будет почти идентичен результату, полученному для условий вакуума) плоский конденсатор, имеющий площадь пластин 1 м2, и которые разделены расстоянием 10 см, будет иметь емкость 88,5 пФ. Если посмотреть на реальные схемы лампового усилителя, то это не такая уж и большая емкость, а подобные размеры конденсатора, просто недопустимо большие. Разумеется конструкции реальных конденсаторов таковы, что их размеры намного меньше, чем в рассмотренном примере.

Уменьшение зазора между пластинами и увеличение количества пластин

Самым простым способом увеличить емкость конденсатора без увеличения его геометрических размеров, является уменьшение зазора между пластинами, поэтому в промышленно выпускаемых конденсаторах величина расстояния между ними составляет 5 мкм или еще меньше.

Вторым способом является увеличение количества пластин, например, изготовление конденсатора в виде блоков из отдельных пластин, в каждом из которых все пластины одного блока соединятся вместе (рис. 5.2). Такой прием практически удваивает емкость по сравнению с интуитивно ожидаемым в первый момент значением, так как в этом случае используются обе поверхности каждой из пластин (за исключением, естественно, только двух крайних пластин). Такая конструкция часто используется для слюдяных посеребренных конденсаторов и также для объединенных в батареи пленочно-фольговых конденсаторов.

Рис. 5.2 Поперечный разрез стандартного конденсатора с параллельными пластинами

Вырезание квадратиков из диэлектрика и соответствующих металлических пластинок при изготовлении рассмотренной выше конструкции, а затем сборка их в одну батарею является дорогостоящим предприятием, поэтому большая часть конденсаторов изготавливается иначе. Берутся две длинные полоски фольги, являющиеся пластинами или обкладками конденсатора, между ними помещается полоска диэлектрика, затем все это сворачивается в форме цилиндра, и в конце к каждой из обкладок присоединяются электрические выводы.

Свойства диэлектрика. Эквивалентная схема конденсатора

Изготовить конденсатор с воздушным диэлектриком, в котором воздушный зазор был равномерным и составлял бы между пластинами точно 5 мкм по всей поверхности, практически невозможно, следовательно, между пластинами чаще всего необходимо класть разделительную диэлектрическую прокладку. Так как используемый диэлектрик будет иметь значение относительной диэлектрической проницаемости εr > 1, то это приведет к дополнительной возможности еще больше уменьшить геометрические размеры конденсатора при сохранении той же самой величины его емкости. (Либо, при тех же размерах получить увеличение емкости.)

К сожалению, такой способ увеличения емкости конденсатора произойдет за счет изменения его других параметров, влияние которых следует рассмотреть подробнее. Любой диэлектрик характеризуется тремя основными параметрами: относительной диэлектрической проницаемостью, электрической прочностью и диэлектрическими потерями.

Относительная диэлектрическая проницаемость, εr, которая уже упоминалась выше, и является коэффициентом, на который увеличивается (относительно случая, когда диэлектриком является вакуум) емкость конденсатора после помещения между пластинами нового диэлектрика.

Электрическая прочность характеризует максимальную напряженность электрического поля, измеряемую в вольтах на метр, которая может быть приложена к диэлектрику до того, как в нем произойдет пробой и он утратит свои изолирующие свойства. Этот фактор как раз и определяет предельное значение рабочего напряжения конденсатора.

Диэлектрические потери характеризуют степень неидеальности диэлектрика и отличия его свойств от идеального при значениях напряжения между обкладками конденсатора, не достигающих пробоя. Непосредственный способ характеризовать потери — это измерить токи утечки, которые протекает в диэлектрике при приложении максимального значения рабочего напряжения к конденсатору (и которые обычно выражаются в микроамперах). Этот метод обычно используется для электролитических алюминиевых и танталовых конденсаторов. Пленочные конденсаторы, как правило, характеризуются значительно меньшими потерями, поэтому для таких конденсаторов могут быть использованы величина сопротивления изоляции, или сопротивление току утечки. Так как диэлектрические потери могут различаться по своей величине для случая применения конденсаторов в цепях постоянного и переменного токов, то поэтому гораздо удобнее пользоваться такой характеристикой, как тангенс угла диэлектрических потерь, tgδ, который характеризует величину активных потерь в диэлектрике на различных частотах. Следует отметить, что при измерении tgδ не делается различий между параллельным сопротивлением утечки диэлектрика и любым последовательным сопротивлением, таким как сопротивление подводящих проводов или сопротивление обкладок.

Омические сопротивления подводящих проводов и обкладок объединяются вместе и получили общее название эффективное последовательное сопротивление (ESR). Для некоторых компонентов схем, таких как электролитические конденсаторы большой емкости, применяемых в источниках питания или катодных полосовых фильтрах, данный параметр является очень важным, так как он может составлять значительную часть полного импеданса конденсатора. В источниках питания в накопительных конденсаторах протекают значительные токи, которые вызывают сильный внутренний саморазогрев структуры. По этой причине также используется параметр, очень тесно связанный с последовательным эффективным сопротивлением, получивший название максимальная постоянная составляющая пульсирующего тока.

Гибкие выводы обладают собственной последовательно подключаемой в схеме индуктивностью, а если не предприняты особые меры, то пластины конденсатора также обладают собственной индуктивностью. Простая эквивалентная схема замещения реального конденсатора выглядит следующим образом: параллельно емкости включается сопротивление потерь диэлектрика, а затем, последовательно этой цепи — эффективное последовательное сопротивление выводов и обкладок, а также паразитная индуктивность выводов (рис. 5.3).

Рис. 5.3 Эквивалентная схема замещения реального конденсатора

При рассмотрении схемы сразу становится ясным, что речь идет о классическом резонансном контуре, более того, для электролитических конденсаторов нередко частота собственного резонанса приводится в технической документации производителей. Более подробно эта проблема будет обсуждаться позже.

 
Цепи конденсаторов серии

и параллельные

Разница между Кулоном и Фарадом

Раньше переходя к последовательным и параллельным цепям конденсаторов, сначала посмотрите на разница между кулоном и фарадом, потому что многие люди запутаться в определении разницы между кулоном и Фарад.

Электрический заряд измеряется в кулонах.Один кулон (1С) равен равно количеству заряда, передаваемого за одну секунду Текущий одного Ампера (1А).

Емкость является способность тела или устройства накапливать электрический заряд. Емкость измеряется в фарадах (Ф). Устройство с большим Емкость (96F) сохранит большой заряд. Точно так же устройство с малой емкостью (1F) будет хранить небольшая сумма заряда.

серии конденсаторная цепь

А последовательный конденсатор схема — это электронная схема, в которой все конденсаторы подключаются друг за другом по одному и тому же пути, поэтому что к каждому конденсатору протекает одинаковый заряд или ток.

общая емкость цепи последовательного конденсатора получается как сложение обратных величин (1 / C) значений емкости отдельных конденсаторов, а затем взяв обратную величину Общая.

Для Например, если три конденсатора соединены последовательно. Тогда общая емкость цепи


Все ток или заряд, протекающий через первый конденсатор, другого пути нет. Следовательно, он также должен проходить через второй конденсатор, третий конденсатор, четвертый конденсатор и т. д. на.

Пример:

А Схема последовательного конденсатора показана на рисунке ниже. В схема состоит из трех конденсаторов, которые включены в последовательный и источник постоянного напряжения.

емкости из трех конденсаторов C 1 = 2F, C 2 = 4F, C 3 = 6F и постоянное напряжение = 10 В.

как как показано на рисунке, положительный полюс батареи постоянного тока подключается к правой боковой пластине конденсатора С 3 отрицательная клемма батареи постоянного тока подключена к Левая боковая пластина конденсатора С 1 .

Когда а напряжение приложено к цепи, отрицательные заряды в правой боковой пластине конденсатора С 3 находятся притянул к плюсовой клемме аккума.Это вызывает Недостаток отрицательных зарядов в правой боковой пластине C 3 . В итоге правая боковая пластина конденсатора С 3 заряжен положительно.

Аналогично, в положительные заряды в левой боковой пластине конденсатора С 1 притягиваются к отрицательной клемме аккумулятора. Этот вызывает нехватку положительных зарядов в левой боковой пластине из C 1 .В результате левая боковая пластина Конденсатор С 1 заряжен отрицательно.

отрицательные заряды в левой боковой пластине конденсатора С 1 отталкивать отрицательные заряды в правой боковой пластине конденсатор С 1 . Это вызывает отрицательные заряды. сток с правой боковой пластины конденсатора С 1 на левую боковую пластину конденсатора С 2 .Как В результате правая боковая пластина конденсатора С 1 оказывается положительно заряжена и левая боковая пластина конденсатора С 2 заряжен отрицательно.

отрицательные заряды в левой боковой пластине конденсатора С 2 отталкивать отрицательные заряды в правой боковой пластине конденсатор С 2 .Это вызывает отрицательные заряды. сток с правой боковой пластины конденсатора С 2 на левую боковую пластину конденсатора С 3 . Как В результате правая боковая пластина конденсатора С 2 оказывается положительно заряжена и левая боковая пластина конденсатора С 3 заряжен отрицательно.

Таким образом, все три конденсатора заряжаются.

ср знайте, что ток означает поток заряда. С того же ток течет через все три конденсатора, поэтому каждый конденсатор будет держать такой же заряд. Это означает, что если один конденсатор держит заряд 2C, тогда остальные конденсаторы тоже держит такой же заряд 2С.

Так если вы обнаружите заряд на одном из конденсаторов, у вас нашел заряд на всех оставшихся конденсаторах.

В чтобы найти заряд на каждом конденсаторе, сначала нам нужно найти общую емкость или эквивалентную емкость.

общая емкость эквивалентного конденсатора


Автор используя формулу C = Q / V, легко найти заряд хранится на эквивалентном конденсаторе.


Начисление на каждого физ. конденсаторы, подключенные последовательно, такие же, как заряд на эквиваленте конденсатор.

Итак, так как заряд на эквивалент конденсатор был 10,91 кулонов, заряд на каждой из отдельные конденсаторы, включенные последовательно, будут иметь 10,91 кулонов.

Следовательно,

Сбор за C 1 = 10.91 C

Заряд на C 2 = 10.91 C

Заряд на C 3 = 10.91 C

Однако в цепи последовательного конденсатора напряжение на каждом индивидуальный конденсатор разный.

ср легко найти напряжение на каждом отдельном конденсаторе по формуле C = Q / V

емкость и заряд на каждом отдельном конденсаторе известны. Итак, мы нужно найти неизвестное напряжение.

В = Q / C

напряжение на конденсаторе (C 1 ) составляет В 1 = Q / C 1 = 10,91 / 2 = 5,455 В

напряжение на конденсаторе (C 2 ) составляет В 2 = Q / C 2 = 10,91 / 4 = 2,727 В

напряжение на конденсаторе (C 3 ) составляет В 3 = Q / С 3 = 10.91/6 = 1,818 В

полное напряжение в цепи последовательного конденсатора равно сумма всех отдельных напряжений, сложенных вместе.

Т.е. V = V 1 + V 2 + V 3 = 5,455 + 2,727 + 1,818 = 10 В

Параллельно конденсаторная цепь

А параллельная конденсаторная схема — это электронная схема, в которой все конденсаторы подключены бок о бок в разных пути, чтобы тот же заряд или ток не проходили через каждый конденсатор.

Когда на параллельную цепь подается напряжение, каждый конденсатор получит другой заряд. Конденсатор с высоким емкость получит больший заряд, тогда как конденсатор с чем меньше емкость, тем меньше будет заряда. Например, восьмерка Фарадный конденсатор (8F) получит больше заряда, чем четыре фарада конденсатор (4Ф) попадает.

Путь конденсаторы параллельно будет увеличиваться размер пластин конденсатора без увеличения расстояния между ними. Итак, общая емкость параллельной конденсаторной цепи получается просто суммируя значения емкости отдельных конденсаторы.

Пример:

А Схема параллельного конденсатора показана на рисунке ниже.В схема состоит из трех конденсаторов, которые включены в параллельный и источник постоянного напряжения.

Если Значения трех конденсаторов: C 1 = 8F, C 2 = 4F, C 3 = 2F и батарея постоянного тока = 10 В, тогда

общая емкость составляет C T = C 1 + C 2 + C 3 = 8 + 4 + 2 = 14F

В Принципиальная схема, нижние обкладки трех конденсаторов напрямую подключены к положительной клемме аккумулятора а верхние обкладки трех конденсаторов непосредственно подключен к отрицательной клемме аккумуляторной батареи.Следовательно, напряжение на всех трех конденсаторах одинаковое, что составляет равно напряжению АКБ постоянного тока (10 В).

Однако в параллельной цепи конденсаторов заряд сохраняется на каждом конденсатор будет другим.

Автор используя формулу емкости, легко найти заряд хранится на каждом конденсаторе.

И.е. C = Q / V

Q = C × V

заряд, накопленный в конденсаторе (C 1 ), составляет Q 1 = С 1 × V = 8 × 10 = 80 С

заряд, накопленный в конденсаторе (C 2 ), составляет Q 2 = С 2 × V = 4 × 10 = 40 С

Заряд, накопленный в конденсаторе (C 3 ), составляет Q 3 = С 3 × В = 2 × 10 = 20 С

Общий заряд, хранящийся в параллельном конденсаторная цепь равна сумме всех отдельных заряды конденсатора складываются.

Т.е. Q T = Q 1 + Q 2 + Q 3 = 80 + 40 + 20 = 140 C


Цепь «бак» индуктора-конденсатора | Схемы переменного тока

ДЕТАЛИ И МАТЕРИАЛЫ

  • Осциллограф
  • Ассортимент неполяризованных конденсаторов (0.От 1 мкФ до 10 мкФ)
  • Понижающий силовой трансформатор (120 В / 6 В)
  • Резисторы 10 кОм
  • Шестивольтовая батарея

Силовой трансформатор используется просто как индуктор с подключенной только одной обмоткой. Неиспользуемую обмотку следует оставить открытой. Также можно использовать простой железный сердечник, однообмоточный индуктор (иногда известный как дроссель ), но такие индукторы труднее получить, чем силовые трансформаторы.

СПРАВОЧНЫЕ ССЫЛКИ

Уроки электрических цепей , том 2, глава 6: «Резонанс»

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

  • Чтобы научиться строить резонансный контур
  • Для определения влияния размера конденсатора на резонансную частоту
  • Чтобы научиться производить антирезонанс

СХЕМА

ИЛЛЮСТРАЦИЯ

ИНСТРУКЦИЯ

Если катушка индуктивности и конденсатор соединены параллельно друг с другом, а затем на короткое время запитаны путем подключения к источнику постоянного напряжения, возникнут колебания, поскольку энергия передается от конденсатора к катушке индуктивности и наоборот.Эти колебания можно наблюдать с помощью осциллографа, подключенного параллельно цепи индуктивности / конденсатора. Параллельные цепи индуктивности / конденсатора обычно известны как цепи резервуара .

Важное примечание: Я рекомендую вместо , используя ПК / звуковую карту в качестве осциллографа для этого эксперимента, потому что очень высокое напряжение может генерироваться индуктором при отключении батареи (индукционная «отдача»). Эти высокие напряжения наверняка повредят вход звуковой карты, а также, возможно, другие части компьютера.

Собственная частота цепи резервуара, называемая резонансной частотой , определяется размером катушки индуктивности и размером конденсатора в соответствии со следующим уравнением:

Многие малые силовые трансформаторы имеют индуктивность первичной (120 В) обмотки приблизительно 1 Н. Используйте это число как приблизительную оценку индуктивности вашей цепи для расчета ожидаемой частоты колебаний.

В идеале колебания, производимые контуром резервуара, продолжаются бесконечно.В действительности колебания будут затухать по амплитуде в течение нескольких циклов из-за резистивных и магнитных потерь индуктора. Катушки индуктивности с высокой добротностью, конечно, будут производить более продолжительные колебания, чем индукторы с низкой добротностью.

Попробуйте изменить номиналы конденсаторов и обратите внимание на их влияние на частоту колебаний. Вы также можете заметить изменения в продолжительности колебаний из-за размера конденсатора. Поскольку вы знаете, как рассчитать резонансную частоту на основе индуктивности и емкости, можете ли вы найти способ рассчитать индуктивность индуктора на основе известных значений емкости цепи (измеренной емкостным измерителем) и резонансной частоты (измеренной осциллографом)?

Сопротивление может быть намеренно добавлено к цепи — последовательно или параллельно — специально для гашения колебаний.Этот эффект колебания контура демпфирующего резервуара известен как антирезонанс . Это аналогично действию амортизатора при гашении вибрации автомобиля после столкновения с дорогой.

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Схема с номерами узлов SPICE:

R stray помещается в схему для гашения колебаний и создания более реалистичного моделирования.Более низкое значение паразитного R вызывает более длительные колебания, поскольку рассеивается меньше энергии. Исключение этого резистора из схемы приводит к бесконечным колебаниям.

Netlist (создайте текстовый файл, содержащий следующий текст, дословно):

контур резервуара с потерями l1 1 0 1 ic = 0 rstray 1 2 1000 c1 2 0 0,1u ic = 6 .tran 0,1m 20m uic .plot tran v (1,0) .end 

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

Выбор конденсатора

для соединений и развязки — Блог о пассивных компонентах

Саймон Ндириту из General Dielectrics объясняет некоторые основные рекомендации по выбору конденсаторов для приложений связи и развязки.

Конденсаторы являются основными компонентами как аналоговых, так и цифровых электронных схем. Эти пассивные компоненты играют важную роль в влиянии на рабочее поведение цепей. Характеристики конденсатора различаются в основном в зависимости от используемого диэлектрического материала. Материал диэлектрика определяет значение емкости, энергоэффективность и размер конденсатора. Конденсаторы фиксированной емкости можно разделить на две категории: полярные и неполярные. К неполярным конденсаторам относятся керамические, пленочные и бумажные конденсаторы.Алюминиевые электролитические конденсаторы и танталовые конденсаторы являются полярными компонентами.

В схемах конденсаторы используются для широкого спектра применений, включая хранение электрических зарядов, блокировку компонентов постоянного тока, обход компонентов переменного тока, фильтрацию нежелательных сигналов и т. Д. Область применения конденсатора в первую очередь зависит от его характеристик. Ключевые свойства, которые следует учитывать при выборе конденсатора для конкретного применения, включают значение емкости, номинальное напряжение, частотные характеристики, стоимость и физический размер.Другие свойства конденсатора, которые могут влиять на характеристики электронной схемы, включают температурные характеристики, свойства самовосстановления, старение и воспламеняемость.

Конденсаторы связи

Конденсаторы связи используются в электронных схемах для передачи полезного сигнала переменного тока и блокировки нежелательных компонентов постоянного тока. Эти нежелательные сигналы постоянного тока исходят от электронных устройств или предшествующих каскадов электронной схемы. В аудиосистемах компоненты постоянного тока влияют на качество полезного сигнала, внося шум.Кроме того, сигналы постоянного тока влияют на характеристики усилителей мощности и увеличивают искажения. В схемах конденсатор связи включен последовательно с трактом прохождения сигнала. Конденсаторы связи используются как в аналоговых, так и в цифровых электронных схемах. Они находят множество применений в звуковых и радиочастотных системах.

Реактивная природа конденсатора позволяет ему по-разному реагировать на разные частоты. В приложениях связи конденсатор блокирует низкочастотные сигналы постоянного тока и позволяет проходить высокочастотным сигналам переменного тока.Для низкочастотных компонентов, таких как сигналы постоянного тока, конденсатор имеет высокий импеданс, тем самым блокируя их. С другой стороны, конденсатор имеет низкое сопротивление по отношению к высокочастотным компонентам. Это позволяет пропускать высокочастотные сигналы, например, компоненты переменного тока.

В аудиосистемах источники постоянного тока используются для питания аудиосхем. Однако, поскольку аудиосигнал обычно является сигналом переменного тока, составляющая постоянного тока на выходе нежелательна. Чтобы предотвратить появление сигнала постоянного тока на выходном устройстве, конденсатор связи добавлен последовательно с нагрузкой.

Конденсаторы связи являются важными компонентами в схемах усилителя. Они используются для предотвращения помех напряжения смещения транзистора сигналами переменного тока. В большинстве схем усилителей это достигается за счет подачи сигнала на базовый вывод транзистора через конденсатор связи. Когда конденсатор с правильным значением емкости подключается последовательно, полезный сигнал может проходить, в то время как составляющая постоянного тока блокируется.

Наличие компонентов постоянного тока в линии передачи может существенно повлиять на характеристики цифровой цепи.В системах связи конденсаторы связи используются для блокировки нежелательных компонентов постоянного тока. Блокировка компонента постоянного тока помогает минимизировать потери энергии и предотвратить накопление заряда в цифровых схемах.

Типы конденсаторов для приложений связи

При выборе конденсатора для приложений связи / блокировки по постоянному току ключевые параметры, которые следует учитывать, включают импеданс, эквивалентное последовательное сопротивление и последовательную резонансную частоту. Значение емкости в первую очередь зависит от частотного диапазона приложения и сопротивления нагрузки / источника.Типы конденсаторов, которые обычно используются для сопряжения, включают пленочные, керамические, танталовые, алюминиевые электролитические и алюминийорганические / полимерные электролитические конденсаторы.

Танталовые конденсаторы

обладают высокой стабильностью при высоких значениях емкости и доступны в различных вариантах. По сравнению с керамикой эти конденсаторы имеют более высокое ESR и более дорогие. В приложениях связи танталовые конденсаторы более популярны, чем керамические.

Алюминиевые электролитические конденсаторы дешевле танталовых.Они обладают стабильной емкостью и имеют характеристики ESR, аналогичные танталовым конденсаторам. Однако эти конденсаторы имеют относительно большой размер и не рекомендуются для схем с ограниченным пространством на печатной плате. Алюминиевые электролитические конденсаторы широко используются в усилителях мощности.

Керамические конденсаторы

недорогие и доступны в небольших корпусах для поверхностного монтажа. Эти конденсаторы дешевле танталовых. Хотя керамические конденсаторы обычно используются в аудио- и радиочастотных приложениях, они обычно не подходят для приложений, требующих превосходных характеристик.

Большие физические размеры пленочных конденсаторов ограничивают их применение в связи по переменному току. Если пространство не является проблемой, полипропиленовые и полиэфирные конденсаторы обладают характеристиками, которые делают их хорошим выбором для применения в схемах предварительного усиления.

Конденсаторы развязки

Некоторые электронные схемы очень чувствительны к скачкам напряжения, и быстрые изменения напряжения могут сильно повлиять на их работу. Разделительные конденсаторы используются в электронных схемах для предотвращения быстрых изменений напряжения, действуя как резервуары электрической энергии.В случае внезапного падения напряжения развязывающий конденсатор обеспечивает электрическую энергию, необходимую для поддержания стабильного напряжения. С другой стороны, при внезапном скачке напряжения конденсатор стабилизирует напряжение, поглощая избыточную энергию.

Помимо стабилизации напряжения в электронных схемах, разделительные конденсаторы также используются для обеспечения прохождения компонентов постоянного тока при замыкании компонентов переменного тока на землю. Конденсаторы, которые используются для обхода шума переменного тока в электронных схемах, также широко известны как обходные конденсаторы.Шунтирующие конденсаторы поглощают шум переменного тока, создавая более чистый сигнал постоянного тока.

Для устранения шума переменного тока параллельно резистору подключают шунтирующий конденсатор. Конденсатор обеспечивает высокое сопротивление низкочастотным сигналам и меньшее сопротивление высокочастотным сигналам. Таким образом, низкочастотные компоненты постоянного тока используют путь резистора, в то время как высокочастотные компоненты переменного тока шунтируются на землю через байпасный конденсатор. Это дает чистый сигнал постоянного тока, свободный от компонентов переменного тока.

Типы конденсаторов для развязки
При выборе конденсатора для развязки очень важно учитывать электрические требования конструкции.Ключевые параметры, которые следует учитывать при выборе байпасного конденсатора, включают самую низкую частоту сигнала переменного тока и значение сопротивления резистора. В большинстве случаев самая низкая частота составляет 50 Гц.

Хотя для развязки / шунтирования доступны различные типы конденсаторов, их характеристики заметно различаются в зависимости от используемого диэлектрического материала и конструкции. Эти два параметра определяют температурную стабильность, линейность, номинальное напряжение, физический размер и стоимость. Типы конденсаторов, которые обычно используются для развязки, включают керамические, танталовые и алюминиевые электролитические конденсаторы.

Характеристики и стоимость керамических конденсаторов делают их популярным вариантом для развязки. Эти конденсаторы имеют низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентную последовательную индуктивность (ESL). Кроме того, многослойные керамические конденсаторы (MLCC) доступны в широком диапазоне корпусов и значений емкости. Керамические конденсаторы — отличный вариант для развязки в высокочастотных цепях.

Алюминиевые электролитические конденсаторы переключающего типа обычно используются для развязки в низкочастотных и среднечастотных электронных схемах.Эти конденсаторы недорогие, доступны в широком диапазоне значений емкости и имеют высокое отношение емкости к объему. Однако алюминиевые электролитические конденсаторы изнашиваются в зависимости от температуры и имеют высокое ESR при низких температурах. Эти конденсаторы широко используются для развязки в потребительских товарах.

Твердотельные танталовые конденсаторы имеют высокое напряжение постоянного тока и менее подвержены износу. Кроме того, они демонстрируют впечатляющую стабильность при низких температурах. По сравнению с алюминиевыми электролитическими конденсаторами танталовые конденсаторы имеют более высокое отношение емкости к объему и более низкое ESR.С другой стороны, танталовые конденсаторы дороги и ограничены приложениями с низким напряжением, обычно до 50 В. Эти конденсаторы обычно используются в приложениях с более высокой надежностью.

Пленочные конденсаторы

, такие как конденсаторы из полиэстера, полипропилена, тефлона и полистирола, имеют ограниченное применение в развязке. Хотя эти конденсаторы подходят для высоковольтных приложений и менее подвержены износу, стоимость их производства относительно высока. Тем не менее, характеристики этих конденсаторов делают их подходящими вариантами для приложений с высоким напряжением, высоким током и развязкой звука.

Заключение

Конденсаторы являются основными компонентами как аналоговых, так и цифровых электронных схем. Они используются в широком спектре приложений, включая соединения, развязку, фильтрацию и синхронизацию. Конденсаторы связи пропускают компоненты переменного тока, блокируя компоненты постоянного тока. Разделительные конденсаторы используются в электронных схемах в качестве резервуаров энергии для предотвращения быстрых изменений напряжения. Шунтирующие конденсаторы очищают сигналы постоянного тока, шунтируя нежелательные компоненты переменного тока на землю.Конденсатор в значительной степени определяет производительность, срок службы и надежность электронной схемы. Таким образом, рекомендуется использовать высококачественные компоненты, предпочтительно от франчайзинговых дистрибьюторов или напрямую от производителя.

Видео по теме:


Узнайте больше о пассивных компонентах от экспертов отрасли! — Электронные курсы пассивных компонентов EPCI Academy для студентов и сертифицированные курсы для профессионалов:

8.3: Анализ начального и установившегося состояния RC-цепей

При анализе цепей резистор-конденсатор всегда помните, что напряжение конденсатора не может изменяться мгновенно. Если предположить, что конденсатор в цепи изначально не заряжен, то его напряжение должно быть равно нулю. В тот момент, когда цепь находится под напряжением, напряжение на конденсаторе все еще должно быть нулевым. Если на устройстве нет напряжения, значит, оно ведет себя как короткое замыкание. Мы называем это начальным состоянием. Таким образом, у нас есть первое правило относительно RC-цепей:

\ [\ text {При анализе постоянного тока конденсаторы сначала отображаются как закороченные.} \ label {8.8} \]

Рассмотрим схему на рисунке 8.3.1. . Предположим, что \ (C_1 \) и \ (C_2 \) изначально не заряжены и на них нет напряжения.

Рисунок 8.3.1 : Базовая схема резистора-конденсатора (RC).

При подаче питания мгновенно два конденсатора появляются как короткие замыкания. Если мы перерисуем схему для этого момента времени, мы придем к эквивалентной схеме, показанной на рисунке 8.3.2. .

Рисунок 8.3.2 : Базовая RC-схема, начальное состояние.

Учитывая этот эквивалент, мы видим, что замыкание \ (C_2 \) помещает \ (R_2 \) и \ (R_3 \) параллельно, однако они оба закорочены на \ (C_1 \). Остается только \ (R_1 \) в цепи вместе с источником \ (E \). В этот момент начнут протекать токи и, таким образом, начнется зарядка конденсаторов. По мере роста напряжения конденсатора ток начнет уменьшаться, и в конечном итоге конденсаторы перестанут заряжаться. В этот момент больше не будет протекать ток, и, таким образом, конденсатор будет вести себя как разомкнутый.Мы называем это устойчивым состоянием и можем сформулировать второе правило:

.

\ [\ text {В установившемся режиме конденсаторы отображаются как разомкнутые.} \ Label {8.9} \]

Продолжая пример, в установившемся режиме оба конденсатора ведут себя как размыкающиеся. Это показано на рисунке 8.3.3. . Это оставляет \ (E \) пропускать через \ (R_1 \) и \ (R_2 \). Это создаст простой делитель напряжения. Установившееся напряжение на \ (C_1 \) будет равно напряжению \ (R_2 \). Поскольку \ (C_2 \) также открыт, напряжение на \ (R_3 \) будет равно нулю, а напряжение на \ (C_2 \) будет таким же, как и на \ (R_2 \).

Рисунок 8.3.3 : Базовая RC-цепь, установившаяся.

В действительности, практические конденсаторы можно рассматривать как идеальную параллельную емкость с очень большим сопротивлением (утечкой), поэтому у этих характеристик будет предел.

Пример 8.3.1

Учитывая схему рисунка 8.3.4 , найдите напряжение на резисторе 6 кОм как для начального, так и для установившегося режима, предполагая, что конденсатор изначально не заряжен.

Рисунок 8.3.4 : Схема для примера 8.2.4.

В исходном состоянии конденсатор трактуется как короткое замыкание. Эквивалентная схема начального состояния изображена ниже на рисунке 8.3.5. . Сразу видно параллельное соединение между резисторами 6 к \ (\ Omega \) и 3 к \ (\ Omega \). Эта комбинация эквивалентна 2 k \ (\ Omega \). Следовательно, мы можем использовать делитель напряжения, чтобы найти потенциал на 6 k \ (\ Omega \) (т.е. комбо 2 k \ (\ Omega \)).

Рисунок 8.3.5 : Схема рисунка 8.3.3 , начальное состояние.

\ [V_ {6k} = E \ frac {R_x} {R_x + R_y} \ nonumber \]

\ [V_ {6k} = 24 В \ frac {2 k \ Omega} {2 k \ Omega +1 k \ Omega} \ nonumber \]

\ [V_ {6k} = 16 V \ nonumber \]

В установившемся режиме конденсатор будет полностью заряжен, его ток будет равен нулю, и мы рассматриваем его как обрыв. Схема замещения в установившемся режиме изображена ниже на рисунке 8.3.6. .

Рисунок 8.3.6 : Схема на Рисунке 8.3.3 , устойчивое состояние.

Резистор 3 кОм \ (\ Omega \) теперь не используется, оставляя нас с резистором 6 кОм \ (\ Omega \) последовательно с резистором 1 к \ (\ Omega \). Еще раз, делитель напряжения может использоваться для определения напряжения на 6 к \ (\ Omega \).

\ [V_ {6k} = E \ frac {R_x} {R_x + R_y} \ nonumber \]

\ [V_ {6k} = 24 В \ frac {6k \ Omega} {6k \ Omega +1 k \ Omega} \ nonumber \]

\ [V_ {6k} = 20,57 В \ nonumber \]

EveryCircuit — Теория и рекомендации по конденсаторам

Letely Я встречал схемы с множеством недопониманий конденсатора и его функции.Я решил объяснить это самым понятным образом, чтобы каждый мог это понять. Сначала немного о емкостном явлении. Это происходит на двух разных пластинах, которые изолированы непроводящим материалом, таким как электролит, керамика, воздух, бумага. Электроны с противоположным зарядом начинают накапливаться на пластинах, но не имеют возможности достичь друг друга из-за изоляции (вы можете увидеть полярность и то, как она смещается в конденсаторе 1 мФ). Величина емкости измеряется в Фарадах (Ф).Типичный конденсатор — мкФ (мкФ в основном используется в выпрямителях и звуковой развязке). Это 0,000001F. Есть еще более низкие значения. 1 пФ будет 0,000000000001F. (радиочастота). Конденсаторы работают, пропуская переменный ток (зеленый) и блокируя через него постоянный ток (желтый), что делает его развязывающим конденсатором. Другие функции включают сглаживание выпрямленного напряжения (красный). При использовании вместе с катушкой индуктивности (которая является полной противоположностью конденсатора, поскольку он пропускает постоянный ток и блокирует переменный ток) они могут использоваться в качестве контура резервуара генератора (синий).В резонансе напряжение в LC-контуре максимально и в несколько раз превышает исходную амплитуду. Есть много типов конденсаторов. Большие круглые называются электролитическими, поскольку изоляционный материал представляет собой электролит. Они имеют полярность и не должны быть подключены неправильно. Обычно они составляют от 1 мкФ до 10000 мкФ. Они используются там, где задействованная частота составляет от 20 Гц до 20 кГц, для исправления или развязки. Конденсаторы меньшего размера, такие как керамические или с воздушной изоляцией, имеют емкость от 1 пФ до 1 мкФ.В основном они используются на более высоких частотах, вплоть до радиочастот. Вы можете рассматривать конденсаторы как своего рода батарею, но с одним существенным отличием. Батареи достаточно долго держат заряд и имеют определенный предел тока, который не позволяет им быстро разряжаться. Конденсаторы разряжаются очень быстро в виде внезапного всплеска энергии, который зависит исключительно от их значения емкости. Немного о том, почему конденсаторы пропускают переменный ток, блокируя постоянный ток. Конденсаторы имеют почти бесконечное сопротивление постоянному току, потому что, как только электроны на двух пластинах достигают своего максимума, больше ничего не происходит.Постоянный ток не меняет полярности, как переменный ток, для разряда накопившихся электронов. Конденсатор просто остается неподвижным, и через него не проходит ток. С другой стороны, переменный ток постоянно переключается с положительного на отрицательный каждый раз при зарядке и разрядке конденсатора, позволяя ему проходить переменный ток и ограничивая постоянный ток. Потребляемый ток во многом зависит от емкости конденсатора или частоты. Чем выше значение (Фарады), тем больше ток через конденсатор. Например, для 20 Гц и 8 Ом соответствующее значение конденсатора будет выше 470 мкФ.-15F (неприменимо почти в любых цепях. Используется для представления паразитной емкости в радиочастотных приложениях)

Конденсаторы и формулы для расчета емкости Уравнения

Конденсаторы — это пассивные устройства. в электронных схемах для хранения энергии в виде электрического поля. Они комплимент индукторы, хранящие энергию в виде магнитного поля. Идеальный конденсатор является эквивалентом разомкнутой цепи (бесконечное сопротивление) для постоянного тока (DC) и представляет собой импеданс (реактивное сопротивление) для переменные токи (AC), зависящие от частоты тока (или напряжения).Реактивное сопротивление (сопротивление току расход) конденсатора обратно пропорционален частоте сигнала, воздействующего на него. Конденсаторы изначально были называемые «конденсаторами» по причине, восходящей к временам Лейденской банки, когда считалось, что электрические заряды накапливаться на пластинах в результате конденсации.

Свойство емкости, которая препятствует изменению напряжения, используется для передачи сигналов с компонент с более высокой частотой, предотвращая прохождение сигналов компонентов с более низкой частотой.Обычное применение конденсатор в РЧ (радиочастотной) цепи — это место, где есть напряжение смещения постоянного тока, которое необходимо заблокировать от присутствия в цепи, позволяя прохождению радиочастотного сигнала. Источники питания постоянного тока используют большие значения емкости параллельно с выходом. клеммы для сглаживания низкочастотных пульсаций из-за выпрямления и / или переключения форм сигналов.

При использовании последовательно (левый рисунок) или параллельно (правый рисунок) с его комплемент схемы, индуктор, комбинация индуктор-конденсатор образует контур, который резонирует на определенной частоте это зависит от значений каждого компонента.В последовательной цепи сопротивление протеканию тока на резонансной частоте равен нулю с идеальными компонентами. В параллельной цепи (справа) сопротивление току бесконечно с идеальными компонентами.

Реальные конденсаторы, состоящие из физических компонентов, демонстрируют больше, чем просто емкость, когда присутствует в цепи переменного тока. Слева показана модель симулятора общей схемы. Он включает в себя собственно идеальный конденсатор с параллельным резистивным подключением. компонент («Утечка»), реагирующий на переменный ток.Эквивалентный резистивный компонент постоянного тока (‘ESR’) последовательно с идеальным конденсатором и эквивалентной последовательной индуктивной составляющей («ESL») присутствует из-за металлических выводов (если они есть) и характеристик поверхностей пластин. Эта индуктивность в сочетании с емкостью создает резонансную частоту, на которой конденсатор выглядит как чистое сопротивление.

Когда рабочая частота увеличивается за пределы резонанса (также известного как собственная резонансная частота или SRF), схема ведет себя как индуктивность, а не как емкость.Следовательно, требуется тщательное рассмотрение SRF, когда выбор конденсаторов. Симуляторы типа SPICE используют эту или даже более сложную модель для облегчения более точных расчетов. в широком диапазоне частот.

Уравнения для последовательного и параллельного объединения конденсаторов приведены ниже. Для конденсаторов приведены дополнительные уравнения. различной конфигурации. Как показывают эти цифры и формулы, емкость — это мера способности двух поверхностей. для хранения электрического заряда.Разделенный и изолированный диэлектриком (изолятором), чистый положительный заряд накапливается на одна поверхность и чистый отрицательный заряд хранится на другой поверхности. В идеальном конденсаторе заряд будет храниться бесконечно; однако реальные конденсаторы постепенно теряют заряд из-за токов утечки через неидеальный диэлектрик.

Общая емкость последовательно соединенных конденсаторов равна обратной величине сумма обратных величин индивидуальных емкостей.Держите единицы измерения постоянными.

Емкость (C в фарадах) двух параллельных пластин равной площади равна произведению площади (A, в метрах) одной пластины. расстояние (d, в метрах), разделяющее пластины, и диэлектрическая проницаемость (ε, в Фарадах на метр) пространства. разделение пластин. ε, полная диэлектрическая проницаемость, является произведением диэлектрической проницаемости свободного пространства, ε 0 , и относительная диэлектрическая проницаемость материала ε r .Обратите внимание, что единицы измерения длины и площади могут быть метрическими. или английский, если они согласованы.

Коэффициент рассеяния (DF), также известный как тангенс потерь (tan δ), взаимозаменяемо определяется как величина, обратная коэффициенту качества (QF) или отношению эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и емкостного реактивного сопротивления (X C ).Это показатель степени потери накопленного заряда. DF обычно используется в низкочастотных приложениях, в то время как tan δ чаще используется в высокочастотных приложениях.

Общая емкость параллельно соединенных конденсаторов равна сумме индивидуальных емкости. Держите единицы измерения постоянными.

Следующие физические константы и механические размерные переменные применимы к уравнениям на этой странице.Единицы для уравнений показаны в скобках в конце уравнений; например, означает, что длина дана в дюймах, а индуктивность — в единицах Генри. Если единицы не указаны, то можно использовать любые, если они согласованы для всех объектов; т.е. все измерители, все мкФ, пр.

C = емкость

L = индуктивность

W = энергия

ε r = относительная диэлектрическая проницаемость (безразмерная)

ε 0 = 8,85 x 10 -12 Ф / м (диэлектрическая проницаемость свободного пространства)

µ r = Относительная проницаемость (безразмерная)

µ 0 = 4π x 10 -7 Гн / м (проницаемость свободного пространства)

1 метр = 3.2808 футов <—> 1 фут

= 0,3048 метра

1 мм = 0,03937 дюйма <—> 1 дюйм

= 25,4 мм

Кроме того, точки (не путать с десятичными знаками) используются для обозначения умножения. во избежание двусмысленности.

Емкостное реактивное сопротивление (X C , в Ω) обратно пропорциональна частоте (ω, в радианах / сек, или f, в Гц) и емкости (C, в Фарадах).Чистая емкость имеет фазовый угол -90 ° (напряжение отстает от тока с фазовым углом 90 °).

Заряд (Q, в кулонах) конденсатора Пластины — это произведение емкости (C в фарадах) и напряжения (V в вольтах) на устройстве.

Энергия (Вт, в Джоулях) хранится в конденсаторе представляет собой половину произведения емкости (C в фарадах) на напряжение (V в вольтах) на устройстве.

Ток действительно течет «через» идеальный конденсатор. Напротив, заряд, накопленный на его пластинах, передается в подключенную цепь, тем самым облегчая ток. поток. И наоборот, сетевое напряжение, приложенное к пластинам, вызывает протекание тока в подключенной цепи по мере накопления заряда. на тарелках.

Добротность безразмерная. отношение реактивного сопротивления к сопротивлению в конденсаторе.

Связанные страницы на RF Cafe

— Конденсаторы и Расчет емкости

— Конденсатор Цветовые коды

— Преобразование емкости

— Конденсатор Диэлектрики

— Стандартные значения конденсатора

— Продавцы конденсаторов

— Благородное искусство разъединения

Влияние развязывающего конденсатора в цепи КМОП-инвертора

В этой статье обсуждается переключение КМОП-инвертора и показано влияние развязывающего конденсатора на целостность сигнала шины питания и излучаемые излучения.


Инверторное переключение CMOS

Давайте начнем наше обсуждение с логического элемента КМОП инвертора в конфигурации тотемных полюсов, показанного на Рисунке 1 [1].

Рисунок 1: Логический вентиль преобразователя CMOS


В высокоскоростных цифровых схемах часто встречается каскадная конфигурация CMOS, показанная на рисунке 2a. Упрощенная модель этой конфигурации показана на рисунке 2b.

Рисунок 2: а) каскадная конфигурация КМОП, б) упрощенная модель


Давайте исследуем работу этой конфигурации при переходе от низкого к высокому и высокого к низкому входу первого инвертора.

Во-первых, предположим, что конденсаторы нагрузки C GP и C GN изначально не заряжены. Когда входной сигнал IN = низкий, верхний транзистор включен, а нижний выключен. Ток протекает через верхний транзистор, сигнальную дорожку и конденсатор C GN на землю. Это показано на рисунке 3a.

В конце концов, конденсатор C GN заряжается до (приблизительно) В CC , и ток прекращается, как показано на рисунке 3b.

Рисунок 3: а) Входной сигнал низкий, б) Ток прекращается, когда C GN заряжается в V CC


Теперь инвертор драйвера переходит с низкого уровня на высокий. Затем верхний транзистор выключается, а нижний транзистор включается, как показано на рисунке 4a.

На данный момент у нас есть два источника тока:

  1. Ток, подаваемый C GN при разрядке (пунктирная стрелка).
  2. Ток, подаваемый В CC , когда он заряжает верхний нагрузочный конденсатор.

Затем ток течет по дорожке к драйверу и через нижний транзистор на землю. В конце концов, ток прекращается, и напряжение на конденсаторе C GP составляет В CC . Это показано на рисунке 4b.

Рисунок 4: а) Переход от низкого к высокому, б) Поток тока прекращается, когда C GP заряжается на V CC


Теперь инвертор драйвера переходит с высокого на низкий.Затем верхний транзистор включается, а нижний — выключается, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5: Переход от высокого уровня к низкому


На данный момент у нас есть два источника тока:

  1. Ток, подаваемый C GP при разрядке (пунктирная стрелка).
  2. Ток, подаваемый В CC , протекающий через верхний транзистор, вдоль дорожки и через нижний конденсатор нагрузки, в конечном итоге заряжая его до В CC .


Конденсатор развязки

Теперь давайте обратим наше внимание на типичный сценарий в цифровых логических схемах с КМОП-драйвером источника постоянного напряжения и ИС нагрузки, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6: КМОП-транзисторы в высокоскоростной логической схеме


При переключении затвора КМОП переходный ток берется из системы распределения питания (PDN). Этот ток течет от источника к нагрузке по прямому пути, то есть по силовым дорожкам, и обратно к источнику по обратному пути i.е., следы земли.

Этот изменяющийся во времени ток создает изменяющийся во времени магнитный поток, который пересекает область контура цепи, вызывая падение напряжения вдоль трасс. Мы можем смоделировать это явление, вставив либо источник напряжения где-нибудь в петле, либо добавив индуктивность где-нибудь в петле. И индуцированное напряжение, и индуктивность распределяются по контуру. Когда петля электрически мала на рассматриваемых частотах, мы можем моделировать эти распределенные эффекты как сосредоточенные источники или индуктивности.

В любой практической схеме прямой и обратный пути (горизонтальные линии на рисунке 9 на несколько порядков длиннее, чем длина пути между выводами питания и заземления (вертикальные линии на рисунке 9). сосредоточены параметры только в прямом и обратном трактах. Чтобы смоделировать индуцированный потоком эффект, мы вставим индуктивности вдоль трасс питания и заземления. Это показано на рисунке 7.

Рисунок 7: Площадь токовой петли и частичные индуктивности


Эта модель применяется на более низких частотах, где частичными индуктивностями цепей питания и заземления, соединяющих сами ИС, можно пренебречь.На более высоких частотах мы могли бы дополнить модель дополнительными частичными и паразитными индуктивностями между ИС и внутри самих ИС (см. [2] для более подробной информации).

Когда микросхема драйвера переключается, ток берется из источника, в результате чего возникают напряжения В P и В G между индуктивностями питания и земли. Мы часто ссылаемся на эти напряжения как , обрушение шины питания и отскок от земли , соответственно.

Во время выключения (состояние постоянного тока) индуктивности действуют как короткие замыкания, и напряжение В IC между выводами питания ИС драйвера и заземлением равно напряжению источника В S . Во время переключения напряжение В IC больше не равно напряжению источника В S , что может вызвать проблемы с целостностью сигнала. Это напряжение теперь равно

(1)

Кроме того, переходный ток течет по большой петле, образуя эффективную рамочную антенну.

Теперь давайте поместим конденсатор между выводами питания и заземления рядом с переключающей ИС, как показано на рисунке 8.

Рисунок 8: Разделительный конденсатор, расположенный рядом с переключающей ИС


Во время выключения этот конденсатор заряжается до напряжения источника В S . Во время переключения этот конденсатор идеально подает полный требуемый ток на нагрузку, как показано на Рисунке 8.

На самом деле он подает большую часть тока на нагрузку, тем самым уменьшая ток, потребляемый от источника, и, следовательно, уменьшая падение напряжения на индуктивностях.Если предположить идеальный сценарий, переходный ток теперь течет в меньшем контуре, как показано на рисунке 9. Это, в свою очередь, снижает излучаемые излучения.

Рисунок 9: Область токовой петли с разделительным конденсатором


Развязка конденсатора удара — Измерения

Схема измерения показана на рисунке 10.

Рисунок 10: Измерительная установка


Принципиальная схема показана на рисунке 11, а детали платы показаны на рисунке 12.

Рисунок 11: Принципиальная схема

Рисунок 12: Плата инвертора CMOS


Плата была специально разработана с очень длинными дорожками, чтобы показать отрицательное влияние соответствующей индуктивности, в то же время увеличивая влияние развязывающего конденсатора. На рисунке 13 показано измерение напряжения на выводе В CC инвертора без разделительных конденсаторов.

Рисунок 13: Напряжение на выводе V CC инвертора — без разделительных крышек


Обратите внимание на скачки напряжения 1.58 В. На рис. 14 показано измерение напряжения на выводе В CC инвертора с разделительными конденсаторами.

Рисунок 14: Напряжение на выводе V CC инвертора с разделительными крышками


Обратите внимание на резкое уменьшение колебаний напряжения с 1,52 В до 232 мВ. Наконец, на рисунке 15 показаны измерения излучения с разделительными конденсаторами и без них.

Рисунок 15: Измерения излучения


Список литературы

  1. Богдан Адамчик, Основы электромагнитной совместимости с практическими приложениями , Wiley, 2017.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

*