Конденсатор в цепи переменного тока: как работает, формулы, схема

Особенности работы конденсатора

Радиодеталь состоит из двух пластин, к которым крепятся металлические провода. Пластины не касаются друг друга. Обычно между ними помещают слой изолятора. Постоянный электрический ток не может проходить через конденсатор, так как нет контакта между проводниками, а для переменного нет препятствия.

При включении конденсатора в цепь переменного тока частота напряжения изменяется по закону синусоиды. Сначала электродвижущая сила возрастает до своего максимума.

После этого она уменьшается до нуля, а затем входит в отрицательную область, где постепенно увеличивается до амплитуды, взятой со знаком минус. Затем отрицательная ЭДС уменьшается по абсолютной величине до нуля и начинает возрастать в положительной области до максимального значения. Описанный цикл изменений повторяется снова и снова.

 

При работе конденсатора в цепи переменного тока в нем циклически происходят следующие процессы:

• По мере увеличения амплитуды от нуля до максимума заряд накапливается. Пластины накапливают заряды, равные по абсолютной величине, но противоположные по знаку.
• Когда он падает до нуля, накопление прекращается, заряд уменьшается, так как начинает стекать с обкладок конденсатора.
• Когда напряжение меняется на противоположное, пластины начинают получать заряды, противоположные по знаку прежним.
• Как только ЭДС достигнет максимального отрицательного значения и начнет уменьшаться по абсолютной величине, начнется разряд конденсатора.

Описанный здесь цикл будет повторяться с началом возрастания ЭДС. Это будет выполняться до тех пор, пока не будет отключено питание переменного тока.

Принцип работы

Конденсатор можно сделать по-разному, но суть работы и основные элементы в любом случае остаются неизменными. Чтобы понять принцип работы, необходимо рассмотреть самую простую модель.

Простейшее устройство имеет две пластины: одна из них заряжена положительно, другая, наоборот, отрицательно. Эти затраты хотя и противоположны, но равны. Они притягиваются с определенной силой, которая зависит от расстояния. Чем ближе пластины друг к другу, тем больше сила притяжения между ними. За счет этого притяжения заряженное устройство не разряжается.

Однако достаточно подложить между двумя пластинами какой-нибудь проводник, и устройство тут же разрядится. Все электроны с отрицательно заряженной пластины сразу же перейдут на положительно заряженную, в результате чего заряд уравняется. Другими словами, чтобы снять заряд с конденсатора, достаточно замкнуть только две пластины.

Назначение конденсаторов

Конденсатор — это пассивный элемент электронной цепи, состоящий из двух проводящих пластин, разделенных своего рода диэлектриком.

Свойства и выполняемые функции

Основной задачей конденсатора является накопление определенного количества электростатического заряда на обкладках, после включения его в цепь под напряжением. При отключении тока конденсатор сохраняет полученный заряд.

• Если конденсатор подключен к замкнутой цепи, но уже без тока, или напряжение в нем ниже накопленного в конденсаторе, то элемент будет полностью или частично разряжен с выделением запасенной энергии
• Здесь мы вводим понятие емкости конденсатора. Простыми словами, это количество электрической энергии, которое способен аккумулировать элемент, подключенный к сети. Этот параметр обозначается латинской буквой «С» и измеряется в фарадах (Ф).

Интересно знать! Конденсаторы переменного тока большой емкости способны создавать очень мощные импульсы при быстрой разрядке. Вы можете использовать их, например, в мощных фонариках.

• Емкость рассчитывается по следующей формуле: С = q/U, где q — заряд на пластине в кулонах (количество энергии, проходящее через проводник за 1 секунду при токе в 1 Ампер); U — напряжение в вольтах между оболочками.
• Корпус любого конденсатора содержит данные об основных параметрах, среди них есть и емкость. На картинке выше он выделен красным цветом, такое обозначение. Там вы можете найти рабочее напряжение и температуру.
• Все просто, но следует помнить, что указанная емкость является номинальной, тогда как ее реальное значение может довольно сильно варьироваться, на что влияет множество факторов.
• Емкость конденсатора может варьироваться от единиц пикофарад до десятков фарад, что зависит от площади электрода (обычно алюминиевой фольги).

Если схема требует большой емкости конденсаторов, их соединяют параллельно. При этом рабочее напряжение сохраняется, но емкость будет увеличиваться прямо пропорционально, то есть сумме емкостей подключенных конденсаторов.

Если конденсаторы соединить последовательно, то емкость не изменится, точнее будет чуть меньше минимальной емкости, включенной в цепь. Зачем нужна такая связь? С ним вероятность пробоя одного из конденсаторов сводится к минимуму, то есть они как бы распределяют нагрузку.

• Конденсаторы также характеризуются таким параметром, как удельная емкость. Это прямая зависимость между емкостью электрической части и массой или объемом диэлектрика. Максимальных значений этого параметра можно добиться при наименьшей толщине диэлектрической прокладки, но для пробоя такого конденсатора требуется меньшее напряжение, о чем мы сейчас и поговорим.
• Частичная маркировка также указывает на номинальное напряжение. Здесь все предельно просто — это значение показывает максимальный уровень напряжения в цепи, при котором радиодеталь может тренироваться на протяжении всего срока службы, не меняя в значительной степени заданные параметры.
• Поэтому простой вывод — напряжение на конденсаторе не должно превышать номинальное, иначе он может пробиться.
• На номинальный уровень напряжения влияют материалы, из которых изготовлен конденсатор.

Понятие полярности для конденсаторов и их выход из строя

Интересно знать! Для многих типов конденсаторов допустимое напряжение будет уменьшаться по мере нагрева, поэтому на коробках с товаром также указана максимальная рабочая температура.

 

Выход из строя конденсатора — очень распространенная электрическая неисправность. Они могут «умереть» тихо, просто вздуться, или под канонаду тошнотворного взрыва, заливающего все ближайшие детали электролитом, под «сценический дым» и прочие эффекты.

Именно поэтому диагностировать выход из строя этого элемента можно чисто визуально, без применения контрольно-измерительного оборудования, но не всегда.

Многие электролитические конденсаторы (с оксидным диэлектриком) из-за особенностей взаимодействия диэлектрика и электролита способны работать только при соблюдении определенной полярности, на что обязательно указывает соответствующая маркировка на корпусе детали.

 

• При попытке включить их в цепь обратной полярностью конденсаторы обычно сразу выходят из строя — разрушается диэлектрик, закипает электролит, в результате чего произойдет тот самый взрыв.
• Конденсаторы взрываются довольно часто, особенно в пульсирующих агрегатах. Это происходит из-за перегрева, утечки или увеличения эквивалентного последовательного сопротивления по мере старения детали.
• Ни для кого не секрет, что поврежденную деталь в любой цепи можно заменить на новую, и устройство будет работать как и раньше, но последствия взрыва могут быть достаточно серьезными – будут повреждены соседние элементы, что значительно усложнит ремонт, плюс цена увеличится.

Для уменьшения последствий на крышках больших конденсаторов устанавливают вентиль или делают с торца насечку в виде букв «Х, К и Т». Такие конденсаторы очень редко взрываются, потому что либо вентиль, либо корпус, разрушившийся по вырезу, выделяет электролит в виде едких паров, то есть давление внутри корпуса падает.

Прочие параметры

Помимо параметров, которые мы уже обсудили, конденсаторы обладают индуктивностью и собственным сопротивлением, поэтому схему реального конденсатора можно представить следующим образом.

Эти параметры можно назвать паразитными, так как они препятствуют идеальной работе детали.

К ним относятся (обозначены как на схеме выше):

• Сопротивление изоляции конденсатора (r) — величина, определяемая отношением действительного напряжения, приложенного к конденсатору, и тока утечки.
• Эквивалентное последовательное сопротивление (R) — это электрическое сопротивление материала, из которого изготовлены платы, выводы конденсатора и контакты с платой. Сюда же следует отнести диэлектрические потери. ESR начинает увеличиваться с увеличением частоты тока.
• Диэлектрическое поглощение. При быстром разряде конденсатора при подключении нагрузки с малым сопротивлением, если снять нагрузку, то через некоторое время можно увидеть, что напряжение на выводах конденсатора будет медленно увеличиваться. Это явление также называют поглощением электрического заряда. Насколько сильно будет проявляться этот эффект, зависит от свойств диэлектрика, используемого в конденсаторе.

К паразитным параметрам относятся также тангенс угла потерь и температурный коэффициент емкости, но во вводной статье мы не будем слишком углубляться в природу.

Типы конденсаторов

Конденсаторы классифицируют в первую очередь по типу используемого в них диэлектрика, который определяет все электрические параметры элемента.

• Вакуумные конденсаторы — конструкция их такова, что несколько коаксиальных цилиндров, вложенных один в один, размещены во внешнем стеклянном цилиндре. Эти агрегаты отличаются наибольшей мощностью на единицу объема.
• Воздушные или газовые конденсаторы — бывают постоянной и переменной емкости. Применяются в основном в электроизмерительной аппаратуре, радиоприемниках и передатчиках, так как позволяют регулировать колебательные контуры.
• Конденсаторы с жидким диэлектриком;
• Конденсаторы с твердым неорганическим диэлектриком — к ним относятся модели на стеклоэмалях, стеклокерамике, стеклянных пленках, слюде, керамике и прочее. Такие конденсаторы отличаются очень большой емкостью, несмотря на скромные размеры.
• Конденсаторы с твердым органическим диэлектриком — тут разнообразие тоже велико: бумажные и металлобумажные, пленочные и комбинированные.
• Отдельно можно выделить электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы, так как они отличаются большой удельной емкостью. Они используют оксидный слой вокруг металлического анода в качестве диэлектрика.

Вторая обшивка в нем либо электролитная, в первом случае, либо полупроводниковая, во втором. Анод в зависимости от конденсатора может быть изготовлен из танталовой, ниобиевой или алюминиевой фольги, а также из спеченного порошка.

Эта классификация не единственная и различает конденсаторы и, по возможности, изменения их емкости:

• Конденсаторы постоянной емкости — это конденсаторы, емкость которых постоянна на протяжении всего срока службы, не считая изменений, вызванных старением детали.
• Переменные — этот тип способен изменять свою емкость в процессе работы оборудования. Управление такими конденсаторами осуществляется посредством механики, электрического напряжения, а также температуры.
• Подстроечные — емкость этих конденсаторов тоже можно менять, но это происходит не в процессе работы оборудования, а один раз, при установке или настройке. Применяются в основном для выравнивания исходных емкостей цепей сопряжения, а также для подстройки параметров цепей цепей.

Применение конденсаторов

Завершая первую часть статьи, мы не можем не учесть области применения этих элементов в электрических схемах. И они используются повсеместно.

• Они объединяются с катушками индуктивности и резисторами для формирования цепей, в которых характеристики тока зависят от его частоты, таких как частотный фильтр или цепь обратной связи колебательного контура.
• В системах, требующих создания мощного импульса, о которых мы уже говорили сегодня — фотовспышках, импульсных лазерах, генераторах Маркса и так далее.
• Конденсаторы также используются в качестве элемента памяти, так как они способны достаточно долго сохранять заряд. Это же свойство используется в устройствах, предназначенных для хранения энергии.
• Если говорить об электротехнике на промышленном уровне, то конденсаторы используются для компенсации реактивной мощности и в качестве фильтров высших гармоник.

И это не все направления, но мы думаем, что этого пока достаточно. Перейдем к экспериментам и посмотрим, что происходит с током при прохождении через конденсатор.

Формула ёмкости

Одной из важнейших характеристик конденсатора является его емкость. Обозначается символом С. Несмотря на то, что между пластинами нет контакта, ток через конденсатор в цепи переменного тока будет проходить либо к пластинам, либо от них. Это связано с циклическими процессами зарядки и разрядки конденсатора.

Величина емкости характеризует способность конденсатора накапливать заряд при приложении к обкладкам определенной разности потенциалов. Его можно найти по формуле:

По этой формуле вместе с законом изменения напряжения можно найти силу тока, возникающего при зарядке или разрядке пластин конденсатора в цепи переменного тока. Но для этого необходимо произвести соответствующие преобразования.

Сначала находим напряжение, возникающее на конденсаторе в цепи переменного тока, используя формулы для определения емкости и разности потенциалов. После преобразований получаем выражение:

Из него находим размер заряда:

Теперь можно получить выражение для электрического тока в цепи с конденсатором:

Надо сказать, что при выводе формулы нахождения силы электрического тока использовались следующие методы:

• Производная по времени была получена из выражения для заряда.
• Затем было выполнено эквивалентное тригонометрическое преобразование.
• Um соответствует максимальному значению амплитуды колебаний напряжения.

Полученное выражение позволяет узнать ток заряда и разряда конденсатора в любой момент времени. Ток изменяет напряжение на половину пи. Ток будет максимальным при нулевом напряжении. И наоборот, значение тока станет равным нулю, когда напряжение достигнет своего максимума.

Виды конденсаторов

На данный момент имеется большой выбор конденсаторов:

• Наиболее распространены радиодетали с двумя дисками, но может быть и больше.
• Плоский конденсатор состоит из двух пластин с тонким слоем диэлектрика между ними. Толщина должна быть небольшой по сравнению с размерами плит.
• В цилиндрическом конденсаторе обе пластины цилиндрические. Один из них внутри другого. Между цилиндрами имеется равномерный тонкий зазор, заполненный диэлектриком.
• Есть сферические конденсаторы, если обкладки представляют собой сферы, одна из которых находится внутри другой.

Конденсаторы различаются в зависимости от типа диэлектрика. В частности, могут использоваться не только твердые, но и жидкие или газообразные диэлектрики. Существуют также вакуумные конденсаторы, в которых между пластинами имеется вакуум.

Это оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Один из их электродов является анодом. Диэлектрик – это оксид, который его покрывает. Катод представляет собой полупроводниковый слой, нанесенный на оксидный слой.

Для изоляционного слоя могут использоваться как органические, так и неорганические материалы. В первом случае используются бумажные или пленочные материалы. Неорганический диэлектрик изготавливается из керамики, стекла, слюды или неорганических синтетических пленок. Есть и такие, которые содержат внутри раствор электролита. Конденсаторы с подобными диэлектриками отличаются относительно высокой емкостью.

Еще один тип конденсаторов — подстроечные. Их использование обеспечивает возможность изменения значения емкости в определенных пределах, чтобы деталь могла работать наиболее эффективно.

Наряду с конденсаторами общего назначения существуют конденсаторы, предназначенные для специальных применений. Примерами таких типов являются дозиметрические, высоковольтные, пусковые, импульсные, помеховые и некоторые другие радиоэлементы.

Читайте также:  Батареи конденсаторов (конденсаторные батареи, батареи электрических и статических конденсаторов для компенсации)

Различные характеристики конденсаторов

Основной характеристикой конденсатора является его емкость. Но есть и другие, которые следует учитывать при выборе.

Каждый конденсатор имеет номинальное напряжение. Если эксплуатация детали будет осуществляться исключительно до этого значения, производитель гарантирует качественную работу на протяжении всего срока службы.

По мере увеличения напряжения, подаваемого на пластины, заряд будет увеличиваться. Если разность потенциалов станет слишком большой, произойдет пробой радиодетали. В результате между пластинами будет проходить искра, а сам конденсатор будет неисправен.

Конденсатор в цепи переменного тока должен эксплуатироваться в строго заданных параметрах. В противном случае срок службы значительно сокращается.

Другой характеристикой является удельная мощность. Он равен отношению емкости к массе используемого диэлектрика. С увеличением свойства улучшаются, но увеличивается вероятность поломки.

В формуле определения емкости используется понятие диэлектрической проницаемости диэлектрика, помещенного между обкладками. Это свойство определяет, насколько данное вещество ослабляет влияние электрического поля между пластинами.

В диэлектриках электроны прочно связаны с ядрами атомов, поэтому они не перемещаются под действием электрического поля и не образуют электрического тока. Однако под действием электрического поля атомы поляризуются из-за смещения внутри них электронов. Следствием этого является ослабление электрического поля.

Величина зависит от того, какое вещество используется в качестве диэлектрика. Нарушение электрического поля, создаваемого диэлектриком, ослабляет поле, приложенное к пластинам, и препятствует протеканию заряда к пластинам.

Пакетная конструкция

Используется в стеклоэмалевых, керамических и стеклокерамических конденсаторах. Пакеты формируются из чередующихся слоев пластин и диэлектрика. Прокладки могут быть выполнены из фольги, а могут быть слоями диэлектрических пластин — напыленными или нанесенными отжигом.

Каждый пакетный конденсатор имеет верхнюю и нижнюю пластины с контактами на концах корпуса. Выводы делаются из проволочных или ленточных полосок. Пакет запрессован, запаян, покрыт защитной эмалью.

Трубчатая конструкция

В этой конструкции могут быть высокочастотные конденсаторы. Они представляют собой керамическую трубку с толщиной стенки 0,25 мм. На внешнюю и внутреннюю стороны методом обжига наносится серебряный токопроводящий слой. Снаружи деталь обработана изоляционным материалом. Внутренний вкладыш подводят к внешнему слою, чтобы прикрепить к нему гибкую проволоку.

Дисковая конструкция

Эта конструкция, как и трубчатая, используется при изготовлении высокочастотных конденсаторов.

Диэлектрик в дисковых конденсаторах представляет собой керамический диск. На нем выжжены серебряные пластины, к которым подключены гибкие провода.

Литая секционированная конструкция

Он используется в монолитных многослойных керамических конденсаторах, применяемых в современной технике, в том числе с интегральными схемами. Деталь с 2 канавками изготовлена ​​методом литья керамики. Бороздки заполнены серебряной пастой, которая фиксируется при имплантации. Гибкие провода припаяны к серебряным вставкам.

Рулонная конструкция

Характерны для низкочастотных конденсаторов на бумажной пленке большой емкости. Бумажная лента и металлическая фольга скручены вместе. В металлобумажных конденсаторах на бумажную ленту нанесен слой металла толщиной до 1 мкм.

Где используются конденсаторы

Радиодетали данного типа используются в различных сферах деятельности современного человека:

• Конденсатор и дроссель в цепи переменного тока образуют колебательный контур, он используется во многих устройствах.
• Конденсаторы меняют свои свойства в зависимости от температуры или влажности окружающей среды, поэтому их применяют в самых разнообразных измерительных приборах.
• Еще одна область использования — блоки питания.
• Используется в схемах с преобразователями AC/DC.
• Используется в частотных фильтрах.
• Трудно представить усилитель без конденсатора.
• Конденсатор является важным элементом для процессоров и других микросхем.

Вот лишь некоторые из вариантов использования. На самом деле их намного больше.

Паразитные параметры конденсаторов

Конденсаторы, помимо основных характеристик, имеют так называемые «паразитные параметры», искажающие рабочие характеристики колебательного контура. Их необходимо учитывать при проектировании схемы.

К таким параметрам относятся самосопротивление и индуктивность, которые делятся на следующие составляющие:

• Сопротивление электрической изоляции (r), которое определяется по формуле: r = U/Iut, где U – напряжение источника тока, Iut – ток утечки.
• Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR, англ. ESR). Эта величина зависит от электрического сопротивления материала пластин, проводов, контактов между ними, потерь в диэлектрическом слое. ESR увеличивается с увеличением частоты тока, подаваемого на преобразователь частоты. В большинстве случаев эта функция не является существенной. Исключение составляют электролитические накопители, устанавливаемые в фильтрах источников переменного тока.
• Эквивалентная последовательная индуктивность — L. На низких частотах этот параметр не учитывается, ввиду внутренней индуктивности пластин и проводов.

К паразитным параметрам также относится Vloss — незначительная величина, выраженная в процентах, которая показывает, насколько сильно падает напряжение сразу после прекращения зарядки конденсатора.

Обозначение конденсаторов на схеме

На чертежах конденсатор постоянной емкости обозначен двумя параллельными линиями — пластинами. Они подписаны буквой «С». Рядом с буквой ставят порядковый номер элемента на схеме и значение емкости в пФ или микрофарадах.

В переменных конденсаторах параллельные линии перечеркнуты диагональной линией со стрелкой. Модели триммера обозначаются двумя параллельными линиями, перечеркнутыми диагональной линией с тире на конце. Положительно заряженная пластина указывается в обозначении полярных конденсаторов.

Обозначение по ГОСТ 2.728-74	Описание
	Фиксированный конденсатор
	Поляризованный (полярный) конденсатор
	Переменный подстроечный конденсатор
	Варикап

Особенности соединения нескольких конденсаторов в цепи

Соединение нескольких конденсаторов между собой может быть последовательным или параллельным.

Последовательное

Последовательное соединение позволяет подать на пластины большее напряжение, чем на отдельную деталь. Напряжение распределяется в зависимости от мощности каждой станции. Если емкости частей равны, напряжение распределяется одинаково.

Результирующая емкость в такой цепи находится по формуле:

Собщ = 1/(1/С1+1/С2…+1/Сn)

Если произвести расчеты, то станет ясно, что увеличение напряжения в цепи достигается значительным падением емкости. Например, если в цепь последовательно подключить два конденсатора по 10 мкФ, общая емкость будет всего 5 мкФ.

Параллельное

Это наиболее распространенный на практике способ увеличения общей емкости в цепи. Параллельное соединение позволяет сделать большой конденсатор с общей площадью проводящих пластин. Общая емкость системы представляет собой сумму емкостей соединенных частей.

С общ = С1+С2+…+Сn

Напряжение на всех элементах будет одинаковым.

Маркировка конденсаторов

В маркировке конденсатора, независимо от его типа, есть два обязательных параметра — емкость и номинальное напряжение. Наиболее распространена цифровая маркировка, указывающая величину сопротивления. Он использует три или четыре цифры.

Кратко суть трехзначной маркировки: первые две цифры слева обозначают значение емкости в пикофарадах. Самая правая цифра показывает, сколько нулей нужно добавить к цифрам слева. Результат в пикофарадах. Пример: 154 = 15×104 пФ. На конденсаторах иностранного производства пФ обозначается как ммф.

В четырехзначном коде первые три цифры обозначают емкость в пикофарадах, а четвертая — количество нулей, которые необходимо добавить. Например: 2353=235×103 пФ.

Для обозначения емкости также может использоваться буквенно-цифровая маркировка, содержащая букву R, указывающую положение десятичной точки. Например, 0R8=0,8 пФ.

На корпусе значение напряжения обозначается цифрой, за которой следуют буквы: В, ВВ (что означает «рабочее напряжение»). При отсутствии указания допустимого напряжения конденсатор можно использовать только в низковольтных цепях.

Кроме емкости и напряжения на корпусе могут быть указаны и другие свойства детали:

• Диэлектрический материал. Б – бумага, С – слюда, К – керамика.
• Степень защиты от внешних воздействий. Г — герметичное исполнение, О — штампованный корпус.
• Дизайн. М – монолитный, Б – бочкообразный, Д – дисковый, С – секционный вариант.
• Текущий режим. А — импульсный, У — универсальный, Н — только постоянный ток, П — переменный/постоянный.

Как проверить работоспособность конденсатора

Для проверки работоспособности конденсатора используйте мультиметр. Перед проверкой станции необходимо определить, какое устройство находится в цепи — полярное (электролитическое) или неполярное.

Проверка полярного конденсатора

При проверке полярного конденсатора необходимо соблюдать правильную полярность подключения щупов: плюс должен быть прижат к плюсовой ножке, минус к минусу. Если поменять полярность, конденсатор выйдет из строя.

После выпайки деталь помещается на свободное место. Мультиметр включен в режим измерения сопротивления («прозвонка»).

Щупы касаются клемм устройства с соблюдением полярности. Правильная ситуация, когда на дисплее появляется первое значение, которое начинает постепенно увеличиваться. Максимальное значение, которое необходимо получить для исправного устройства, равно 1.

Если вы только прикоснулись щупами к клеммам, и на экране сразу появилась цифра 1, устройство неисправно. Появление на экране «0» означает, что внутри детали произошло короткое замыкание.

Проверка неполярного конденсатора

В этом случае проверка предельно проста. Диапазон измерения установлен на 2 МОм. Щупы подключаются к выводам конденсатора в произвольном порядке. Результирующее значение должно быть больше двух. Если на дисплее отображается значение менее 2 МОм, деталь неисправна.