Последовательное и параллельное соединение конденсаторов (ёмкостей)

Что такое конденсатор и его основные характеристики

Конденсатор — это радиодеталь, выполняющая роль накопителя электрической энергии. Чтобы было понятнее, как это работает, вы можете думать о нем как о небольшой батарее. Обозначается двумя параллельными линиями.

Обозначения различных типов конденсаторов на схемах. Чаще всего выходят из строя электролитические конденсаторы, поэтому стоит запомнить их обозначение

Основной характеристикой любого типа конденсатора является емкость. Это количество заряда, которое он способен накопить. Измеряется в фарадах (сокращенно просто буквой Ф или Ф), а точнее, в более «мелких» единицах:

• микрофарад — мкФ 10-6 фарад,
• нанофарад — нФ равен 10-9 фарад;
• пикофарад — пФ составляет 10-12 фарад.

Другой важной характеристикой является номинальное напряжение. Именно такое напряжение гарантирует длительную безотказную работу. Например, 4700 мкФ 35 В, где 35 В — номинальное напряжение 35 вольт.

У больших конденсаторов емкость и напряжение указаны на корпусе

Не ставьте конденсатор в цепь с более высоким напряжением, чем указанное на нем. В противном случае он быстро выйдет из строя.

Вы можете использовать конденсаторы на 50 вольт вместо конденсаторов на 25 вольт. Но это иногда нецелесообразно, так как рассчитанные на большее напряжение дороже и габариты их больше.

Что он из себя представляет и как работает

В простейшем случае конденсатор состоит из двух проводящих пластин (обкладок), разделенных диэлектрическим слоем.

Между пластинами находится слой диэлектрика — материала, плохо проводящего электричество

Пластины питаются постоянным или переменным током. В основном, пока энергия сохраняется, потребление энергии конденсатором велико. По мере снижения «наполняющей способности». При полной зарядке вообще нет потребления энергии, источник питания как бы отключается.

В этот момент сам конденсатор начинает сбрасывать накопленный заряд. То есть временно становится неким источником питания. Поэтому его сравнивают с батареей.

Где и для чего используются

Как уже было сказано, схему без конденсаторов найти сложно. Они используются для решения ряда задач:

• Для сглаживания скачков напряжения. В этом случае их размещают на входе в устройства, перед микросхемами, требующими токовых параметров.
• Для стабилизации выходного напряжения блоков питания. В этом случае вам нужно искать их, прежде чем уйти.
  Часто можно увидеть электролитические цилиндрические конденсаторы
• Датчик касания (тачпады). В таких устройствах одной из «пластин» конденсаторов является человек. Точнее, его палец. Наше тело имеет определенную проводимость. Это то, что используется в сенсорных датчиках.
• Задать необходимый рабочий ритм. Время заряда конденсаторов разной емкости различно. При этом цикл заряда/разряда конденсатора остается постоянным. Это используется в цепях, где необходимо задать определенный рабочий ритм.
• Ячейки памяти. Память компьютеров, телефонов и других устройств представляет собой большое количество маленьких конденсаторов. Если он заряжен, он один; если он разряжен, он равен нулю.
• Есть пусковые конденсаторы, помогающие «разогнать» двигатель. Они накапливают заряд, затем резко его отдают, создавая необходимый «толчок» для разгона двигателя.
• В фонариках. Принцип тот же. Сначала накапливается заряд, затем он излучается, но преобразуется в свет.

Конденсаторы распространены и область их применения широка. Но нужно знать, как правильно их соединить.

Как подключать конденсаторы

В электротехнике различают два основных вида соединения деталей — параллельное и последовательное. Конденсаторы также можно подключить одним из вышеперечисленных способов. Есть и особая — мостовая компоновка. Имеет свою область использования.

Параллельное подключение конденсаторов

При параллельном соединении все конденсаторы соединяются двумя узлами. Для параллельного соединения конденсаторов скручиваем их ножки попарно, обжимаем пассатижами и затем припаиваем. Некоторые конденсаторы имеют большие коробки (банки) и маленькие провода. В этом случае мы используем провода (как на рисунке ниже).

Если конденсаторы электролитические, обратите внимание на полярность. Они должны быть «+» или «-». При их параллельном соединении соединяем одноименные выводы — плюс к плюсу, минус к минусу.

Расчёт суммарной ёмкости

При параллельном соединении конденсаторов их номинальная емкость суммируется. Просто суммируйте значения всех связанных элементов, сколько бы их ни было. Два, три, пять, тридцать. Мы просто складываем. Но убедитесь, что размеры совпадают. Например, добавим микрофарад. Так что переводим все значения в микрофарады и только после этого суммируем.

Когда на практике применяют параллельное соединение конденсаторов? Например, когда нужно заменить «сухой» или сгоревший, а нужного номинала нет и бежать в магазин нет времени и возможности.

В данном случае выбираем из числа имеющихся. В сумме они должны обеспечивать необходимую ценность. Все их проверяем на работоспособность и подключаем по вышеуказанному принципу.

Пример расчёта

Например, параллельно соединены два конденсатора — 8 мкФ и 12 мкФ. Следуя формуле, мы просто складываем их номиналы. Получаем 8 мкФ + 12 мкФ = 20 мкФ. Это будет общая емкость в данном случае.

Последовательное соединение

Соединение называется последовательным, когда выход одного элемента соединен со входом другого. Можно сравнить с тележками или цепочкой из лампочек. По такому же принципу последовательно соединены конденсаторы.

При подключении полярных электролитических «кондеров» необходимо следить за соблюдением полярности. Вы подаете плюс первого конденсатора к минусу второго и так далее. Постройте цепочку.

Бывают неполярные (биполярные) электролитические конденсаторы. При их подключении не обязательно соблюдать полярность.

Как определить ёмкость последовательно соединенных конденсаторов

При последовательном соединении конденсаторов общая емкость элементов будет меньше наименьшего значения в цепи. То есть емкость последовательно соединенных конденсаторов уменьшается. Это может пригодиться и при ремонте оборудования — часто требуется замена конденсаторов.

использовать приведенную выше формулу расчета не очень удобно, поэтому ее обычно используют в преобразованном виде:

Это формула двух элементов. С увеличением числа это становится намного сложнее. Хотя редко можно найти более двух конденсаторов последовательно.

Читайте также: Передача электроэнергии: существующие способы и разработки

Пример расчёта

Какова общая емкость, если конденсаторы 12 мкФ и 8 мкФ соединены последовательно? Считаем: 12*8/(12+8)=96/20=4,8 мкФ. То есть такая цепочка соответствует номиналу 4,8 мкФ.

Как видите, значение меньше наименьшего значения в последовательности. А если соединить таким образом два одинаковых конденсатора, то результат будет вдвое меньше номинала. Например, посчитаем для двух емкостей по 12 мкФ.

Получаем: 12*12/(12+12)=144/24=6 мкФ. Ищем 8 мкФ. Считаем: 8*8/(8+8)=64/16=4 мкФ. Правило подтверждено. Это правило можно использовать при выборе номиналов.

Почему электролитические конденсаторы выходят из строя и что делать

Часто для ремонта неисправного электронного оборудования достаточно найти и заменить вздувшиеся конденсаторы. Дело в том, что срок их службы невелик – 1000-2000 тысяч часов работы. Затем он обычно выходит из строя и требует замены.

А это не выше номинального напряжения при нормальном напряжении. Это связано с тем, что диэлектрик в конденсаторах обычно жидкий. Жидкость постепенно испаряется, параметры меняются и рано или поздно конденсатор вздувается.

Электролитические конденсаторы имеют специальные насечки на верхней части корпуса, чтобы избежать взрыва в случае выхода из строя

Электролит не просто высыхает во время работы. Даже просто время от времени. Это конструктивная особенность электролитических конденсаторов. Поэтому не стоит ставить конденсаторы, выпаянные из старых схем или тех, что хранились в мастерской несколько лет (или десятилетий). Лучше покупать «свежий», но проверять дату производства.

Можно ли продлить срок службы конденсаторов? Может. Нам нужно улучшить теплоотвод. Чем меньше нагревается электролит, тем медленнее он сохнет. Поэтому не ставьте оборудование рядом с обогревателями.

Установлены радиаторы для улучшения отвода тепла

Во-вторых, убедитесь, что кулеры работают хорошо. В-третьих, при наличии рядом деталей, активно нагревающихся в процессе работы, необходимо каким-то образом защитить конденсаторы от температуры.

Как подобрать замену

Если вам часто приходится менять один и тот же конденсатор, лучше заменить его на более «мощный» — такой же емкости, но с более высоким напряжением. Например, вместо конденсатора на 25 вольт поставить конденсатор на 35 вольт.

Только помните, что более мощные конденсаторы имеют больший размер. Не все платы позволяют сделать такую ​​замену.

Конденсатор с той же емкостью, но рассчитанный на большее напряжение, имеет больший размер

Можно поставить параллельно несколько конденсаторов с одинаковым напряжением, подобрав номиналы, чтобы получить требуемую емкость. Что это даст? Лучшая устойчивость к пульсациям тока, меньший нагрев и, как следствие, более длительный срок службы.

Что будет, если поставить конденсатор большей ёмкости?

Часто идея сводится к замене сгоревшего или вздувшегося конденсатора на конденсатор большей емкости. Ведь она должна меньше греться. Так что все равно работает. Емкость практически никак не связана со степенью нагрева корпуса. И никакой выгоды от этого не будет.

Согласно нормативным документам допускается отклонение номинала конденсаторов в пределах 20 %. На это число можно поставить больше/меньше. Но это может привести к изменениям в работе устройства. Так что лучше найти «родной» номинал. И помните, что не всегда есть возможность установить большую емкость.

Можно, если конденсатор стоит на входе и сглаживает скачки тока. Здесь подойдет большая емкость, если места для установки достаточно. Этого точно нельзя делать там, где конденсатор действует как фильтр, отсекающий заданные частоты.

Можно переключиться на ту же мощность, но чуть более высокое напряжение. Это имеет смысл. Но размеры такого конденсатора будут намного больше. Не все платы смогут его установить. И помните, что тело не должно соприкасаться с другими частями.

Падение напряженности и общая емкость

Емкость конденсатора — это величина, определяющая количество заряда, которое он способен хранить внутри себя. Выражение выглядит так:

С = кв/U.

Здесь q — заряд, накопленный между обкладками конденсатора, U — приложенное к ним напряжение.

Приведенная выше формула представляет собой общий случай. На практике при расчете емкости конденсатора следует учитывать ряд других переменных:

С = E0ES/д,

куда:

• Е0 — электрическая постоянная, равная 8,85*10-12 Ф/м,
• Е — диэлектрическая проницаемость среды, в которой размещены пластины конденсатора,
• S – площадь их пересечения,
• d — расстояние между пластинами.

Стандартная модель конденсатора имеет следующий вид.

Модель конденсатора

Обшивка обычно изготавливается из тонкого листового алюминия и скручивается в рулон. Это делается для увеличения их площади, ведь таким образом емкость конденсатора становится значительно больше.

Номинальное и максимальное напряжение устройства зависит от выбора диэлектрика, установленного изготовителем между обкладками конденсатора. Это, в свою очередь, определяет масштаб. Если к обкладкам приложить чрезмерную разность потенциалов, то напряженность поля между ними превысит допустимый уровень и произойдет пробой диэлектрика.

Эта ситуация особенно вредна для электролитических конденсаторов и ионисторов. В случае поломки устройство частично или полностью теряет способность накапливать заряд, после чего приходит в негодность.

При последовательном и параллельном соединении разных конденсаторов их характеристики существенно изменяются. Это свойство этих деталей активно используется электронщиками и радиолюбителями. Знание принципов связности позволяет им более продуктивно разрабатывать новые устройства.