CAPS Theory

Материал из Wiki.ROM.by
Перейти к: навигация, поиск

Здесь приведены теоретические выкладки из нескольких источников.

Содержание

Конденсаторы

В превом приближении конденсаторы (см. рис.) - это частотно-зависимые резисторы.

Cap symbol.gif

Они позволяют создавать, например, частотно-зависимые делители напряжения. Для решения некоторых задач (шунтирование, связывание контуров) больших знаний о конденсаторе и не требуется, другие задачи (построение фильтров, резонансных схем, накопление энергии) требуют более глубоких знаний. Например, конденсаторы не рассеивают энергию, хотя через них и протекает ток, - дело в том, что ток и напряжение на конденсаторе смещены друг относительно друга по фазе на 90°.

Конденсатор - это устройство, имеющее два вывода и обладающее следующим свойством:

CapFormula1.gif.

Конденсатор, имеющий емкость C фарад, к которому приложено напряжение U вольт, накапливает заряд Q кулон.

Продифференцировав выражение для Q, получим

CapFormula2.gif.

Итак, конденсатор - это более сложный элемент, чем резистор; ток пропорционален не просто напряжению, а скорости изменения напряжения. Если напряжение на конденсаторе, имеющем емкость 1 Ф, изменится на 1 В за 1 с, то получим ток 1 А. И наоборот, протекание тока 1 А через конденсатор емкостью 1 Ф вызывает изменение напряжения на 1 В за 1 с. Емкость, равная одной фараде, очень велика, и поэтому чаще имеют дело с микрофарадами (мкФ) или пикофарадами (пФ). (Для того, чтобы сбить с толку непосвященных, на принципиальных схемах иногда опускают обозначения единиц измерения. Их приходится угадывать из контекста.) Например, если подать ток 1 мА на конденсатор емкостью 1 мкФ, то напряжение за 1 с возрастет на 1000 В. Импульс тока продолжительностью 10 мс вызовет увеличение напряжения на конденсаторе на 10 В. (см. рис. ниже)

CapExample1.GIF

Промышленность выпускает конденсаторы разнообразных форм и размеров; через некоторое время Вы познакомитесь с наиболее распространенными представителями этого обширного семейства. Простейший конденсатор состоит из двух проводников, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга (но не соприкасающиеся между собой); настоящие простейшие конденсаторы имеют именно такую конструкцию. Чтобы получить большую емкость, нужны большая площадь и меньший зазор между проводниками; обычно для этого один из проводников покрывают тонким слоем изолирующего материала (называемого диэлектриком), для таких конденсаторов используют, например, алитированную (покрытую алюминием) майларовую пленку. Широкое распространение получили следующие типы конденсаторов: керамические, электролитические (изготовленные из металлической фольги с оксидной пленкой в качестве изолятора), слюдяные (изготовлены из металлизированной слюды). Каждому типу конденсаторов присущи свои качества. В общем можно сказать, что для некритичных схем подходят керамические и майларовые конденсаторы; в схемах, где требуется большая емкость, применяются танталовые конденсаторы, а для фильтрации в источниках питания используют электролитические конденсаторы.

Параллельное и последовательное соединение конденсаторов.

Емкость нескольких параллельно соединенных конденсаторов равна сумме их емкостей. Нетрудно в этом убедиться: приложим напряжение к параллельному соединению, тогда

CapFormula3.gif

или

CapFormula4.gif.

Для последовательного соединения конденсаторов имеем такое же выражение, как для параллельного соединения резисторов:

Различные конденсаторы
CapFormula5.gif.

В частном случае для двух конденсаторов

CapFormula6.gif.

Ещё одно определение конденсатора.

Конденса́тор — система из двух и более электродов (обкладок), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. Такая система обладает взаимной ёмкостью и способна сохранять электрический заряд.

Свойства конденсатора

Конденсатор в цепи постоянного тока не проводит ток, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит электричество, так как колебания переменного тока вызывают циклическую перезарядку конденсатора и, следовательно, ток в цепи.

В терминах метода комплексных амплитуд конденсатор обладает комплексным импедансом

CapFormula10.gif,

где j — мнимая единица,

ω — угловая частота протекающего синусоидального тока,

C — ёмкость конденсатора.

Отсюда также следует, что реактивное сопротивление конденсатора равно:

CapFormula11.gif.

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

При изменении частоты изменяются диэлектрическая проницаемость диэлектрика и степень влияния паразитных параметров — собственной индуктивности и сопротивления потерь. На высоких частотах любой конденсатор можно рассматривать как последовательный колебательный контур, образуемый ёмкостью С, собственной индуктивностью LС и сопротивлением потерь Rn.

CapFormula12.gif

При f > fp конденсатор в цепи переменного тока ведёт себя как катушка индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах f < fp, на которых его сопротивление носит ёмкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 2—3 раза ниже резонансной.

Обозначение конденсаторов на схемах

В России условные графические обозначения конденсаторов на схемах должны соответствовать ГОСТ 2.728-74:

Обозначение
по ГОСТ 2.728-74
Описание
1cm Конденсатор постоянной емкости
1cm Поляризованный конденсатор
1cm Подстроечный конденсатор

Характеристики конденсаторов

Ёмкость

Основной характеристикой конденсатора является его электрическая ёмкость (точнее номинальная ёмкость), которая определяет накопленный заряд. Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад. Однако существуют конденсаторы с ёмкостью до десятков фарад (ионисторы).

Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью S каждая, расположенных на расстоянии d друг от друга, в системе СИ выражается формулой: C = (ε·ε0· S)/ d, где ε — относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами. Эта формула справедлива лишь при малых d.

Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею.

Caps parallel.gif
CapFormula7.gif

При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы. Общая ёмкость батареи последовательно соединённых конденсаторов равна

Caps series.gif
CapFormula8.gif

Эта ёмкость всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора, входящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения.

Удельная ёмкость

Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью — отношение ёмкости к объему конденсатора.

Номинальное напряжение

Другой не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допускаемое напряжение снижается.

Полярность

Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) имеют униполярную проводимость, вследствие чего их эксплуатация возможна только при положительном потенциале на аноде.

Тангенс угла потерь

Потери энергии в конденсаторе определяются потерями в диэлектрике и обкладках. При протекании переменного тока через конденсатор векторы напряжения и тока сдвинуты на угол π/2−δ (δ — угол диэлектрических потерь). При отсутствии потерь δ = 0. Тангенс угла потерь определяется отношением активной мощности Pа к реактивной Pр при синусоидальном напряжении определённой частоты. Величина, обратная tg δ, называется добротностью конденсатора.

Электрическое сопротивление изоляции конденсатора

Электрическое сопротивление изоляции — это сопротивление конденсатора постоянному току, определяемое соотношением

CapFormula9.gif,

где U — напряжение, приложенное к конденсатору,

Iут — ток утечки.

Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)

ТКЕ — это параметр, характеризующий зависимость ёмкости конденсатора от температуры. Практически ТКЕ определяют как относительное изменение ёмкости конденсатора при изменении температуры на 1 °C. Однако ТКЕ определяется не для всех типов конденсаторов.

Диэлектрическое поглощение

Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путем подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то мы увидим, что напряжение медленно повышается. Это явление получило название 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. Наименьшим диэлектрическим поглощением обладают конденсаторы с тефлоновым (фторопластовым) диэлектриком.

Классификация конденсаторов

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

По виду диэлектрика различают:

  • Конденсаторы с газообразным диэлектриком.
  • Конденсаторы с жидким диэлектриком.
  • Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок.
  • Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные — бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок.
  • Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов прежде всего своей огромной удельной ёмкостью! В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металле, являющийся анодом. Вторая обкладка (катод) — это или электролит (в электролитических конденсаторах) или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесенный непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги.

Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения своей ёмкости:

  • Постоянные конденсаторы — основной класс конденсаторов, не меняющие своей ёмкости (кроме как в течение срока службы).
  • Переменные конденсаторы — конденсаторы, которые допускают изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление ёмкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды) и температурой (термо­конденсаторы). Применяются, например, в радиоприемниках для перестройки частоты резонансного контура.
  • Подстроечные конденсаторы — конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение ёмкости.

В зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят наиболее распространенные низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляюшие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы.

Применение конденсаторов

Конденсаторы находят применение практически во всех областях электротехники.

  • Конденсаторы (совместно с индуктивностями и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п..
  • При быстром разряде конденсатора можно получить импульс большой мощности, например, в фотовспышках, импульсных лазерах с оптической накачкой и т. п.
  • Так как конденсатор способен длительное время сохранять заряд, то его можно использовать в качестве элемента памяти или устройства хранения электрической энергии.
  • В промышленной электротехнике конденсаторы используются для компенсации реактивной мощности и фильтрах высших гармоник.

Персональные инструменты
Google