Конденсаторы

АННОТАЦИЯ

Методическое пособие к авторской учебной программе «От электрической лампочки до автоматизированных систем» может быть полезно для учащихся 7 – 9 классов общеобразовательных школ, увлекающихся науками электротехникой и электроникой.

В пособии подробно рассматриваются назначение, устройство и применение важного элемента принципиальных схем электроники – конденсаторы.

Для удобства запоминания материала методическое пособие выполнено в виде вопросов и ответов.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЁМКОСТЬ.

Вопрос 2. Является ли заряженное тело носителем энергии? Любое заряженное тело является носителем определённой энергии. Эта энергия введена дополнительными свободными , т. к., каждый электрон обладает своей энергией. Аналогичный слу­чай представляет собой надутая автомобильная шина, она – « носитель » энергии, передан­ной тем, кто надул шину.

Вопрос 4. Как устроен конденсатор? На (рис. 3) представлены схематическое устройство конденсаторов и их обозначение на принципиальных схемах.

В конденсаторах электродами служат длинные полосы из алю-миниевой, свинцовой или медной фольги, разделённые несколькими слоями специальной (конденсаторной) бумаги, пропитанной нефтяны-ми маслами или синтетическими пропитывающими жидкостями. Ленты фольги и бумаги сматывают в рулоны.

Электролитические конденсаторы изготовляют из двух скатанных в рулон тонких алюминиевых лент (рис. 4), между которыми проложена бумага, пропитанная специальным электролитом (раствор борной кислоты с аммиаком в глицерине). Алюминиевую ленту покрывают тонкой плёнкой окиси алюминия; эта плёнка образует диэлектрик, обладающий высокой диэлектрической проницаемостью. Электродами конденсатора служат лента , покрытая окисной плёнкой, и электролит; вторая лента предназначена лишь для создания электрического контакта с электролитом. Конденсатор помещают в цилиндрический алюминиевый корпус.

Р ис. 3. Устройство постоянного конденсатора.

Рис. 4. Устройство электролитического конденсатора.

Вопрос 5. Какими свойствами обладает конденсатор? Главными свойствами конденсатора яв­ляется то, что на его обкладках (элект­родах) могут накапливаться равные по величине и противопо-ложные по знаку электрические заряды. Другим важным свойством конденсатора является его способность пропускать переменный ток и не пропускать постоянный (рис. 5).

Рис. 5. Свойства конденсаторов.

Вопрос 6. В каких единицах измеряется ёмкость? Единица измерения электрической ёмкости называется фарада (Ф) в честь английского физика Майкла Фарадея (1791—1867).

Конденсатор имеет ём­кость 1 фараду, если при зарядке его одним кулоном электричества получаем между обкладками напряжение один вольт.

Следовательно, можно записать:

Поскольку емкость обозначается буквой С, количество электричества — Q, а напряжение U, получим такую формулу:

Эта формула определяет связь меж­ду ёмкостью конденсатора, количест­вом электричества, которым заряжен конденсатор, и напряже-нием, возникающим между его электродами.

Вопрос 7. В каких единицах измеряется ёмкость в электро-

техники? Конденсатор ёмкостью 1 Ф имел бы очень большие раз-меры. Поэтому применяемые на практике конденсато­ры имеют значительно меньшую ем­кость, для измерения которой исполь­зуются единицы микрофарада (мкФ), нанофарада (нФ) и пикофарада (пФ). Эти единицы могут быть представлены в таком виде.

1 мкф = 10 -6 Ф;

1 нф = 10-9 Ф;

1 пф = 10-12 Ф.

Отсюда видно, что 1 мкФ= 1000 нФ, а 1 нф=1000 пФ.

Вопрос 8. Что такое номинальная ёмкость конденсатора? Это то значение конденсатора, которое очень часто наносится на его корпус. В ра­диоэлектронике чаще всего ис­пользуются конденса-торы ёмкостью от 1 пФ до 5000 мкФ. В таблице приведены наи-более употребляемые ряды номинальных значений емкостей.

Вопрос 9. Как маркируются конденсаторы? На корпусах конденсаторов номинальные ёмкости до 91 пФ выражают в пико-фарадах, используя для обозна­чения этой единицы букву П, от 100 до 9100 пФ — в долях нанофарады (1 нФ= 1000 пф= 0,001 мкФ), а от 0,01 до 0,091 мкФ — в нанофарадах, обозначая нанофараду буквой Н . Ёмкости от 0,1 мкф и больше выра­жают в микрофарадах, ис­поль-зуя для обозначения этой единицы букву М . Если емкость конден-сатора равна целому числу, обозначение ёмкости ставят после этого числа, например 10П (10 пФ), 22Н буквенное (22 нф= 22000 пф=0,022 мкФ), 50М (50 мкФ).

Чтобы номинальную ёмкость конденсатора выразить деся­тичной дробью, буквенное обозначение единицы ёмкости располагают перед числом Н15 (0,15 пф=150 пФ), М47 (0,47 мкФ). Для выраже-ния ёмкости конденсатора целым числом с десятичной дробью буквенное обозначение едини­цы ставят между целым чис­лом и деся-тичной дробью, заменяя ею запятую, напри­мер 1П6 (1,6 пФ), 5Н1 (5,1 нФ=5100 пФ), ЗМЗ (3,3 мкФ).

Для постоянных конденса­торов на схеме рядом с услов­ным обоначением указывают значение ёмкости в пикофарадах (пФ) или микрофарадах (мкф, 1 мкФ= 1000 000 пФ) При емкости менее 0,01 мкф ставят число пикофарад без обозначения размерности, на­при-мер 10, 150, 6800. Для ёмкости 0,01 мкф и более ставят число микро-фарад с добавлением букв «мк», на­пример 0,02 мк, 0,15 мк, 1 мк, 100 мк.

На рис. 6. представлены современные маркировки конденсаторов.

Рис. 6. Современная маркировка конденсаторов.

диэлектрика.

Чем толще диэлектрик, тем больше рабочее напряжение, но вместе с тем увеличиваются и размеры конденсатора.

Вопрос 11. Как ведёт себя конденсатор в цепи постоянного тока? Если конденсатор подключить на вре­мя к источнику постоян-ного тока, он зарядится, т. е. нако­пит электрическую энергию и будет сохранять её.

Продолжительность разрядки определяется ёмко­стью конден-сатора и сопротив­лением цепи, иначе говоря, сопротивлением на-грузки.

Проведём эксперимент (рис. 8). Оксидный конденсатор С1 ём-

С — ёмкость конденсатора, Ф (Ф — фарада, 1 Ф= 1000 000 мкФ).

Стоит теперь нажать кнопку переключателя, как конденсатор

окажется подключённым к раз­рядной цепи — лампе накалива­ния ЕL1, рассчитанной на на­пряжение 3,5 В и ток 0,15 А. Лампа вспыхнет. Несмотря на то, что лампа взята на напря­жение 3,5 В, а конденсатор заряжен до 9 В, нить лампы не успеет перегореть — слиш­ком кратковременна продолжи­тельность разрядки (её можно подсчитать по формуле).

Яркость вспышки зависит от ёмкости конденсатора, на­пря-жения и тока накала лампы. Замените лампу другой — на напряжение 2,5 В и ток накала не более 0,2 А, яркость вспыш­ки увеличится.

Если мы подключим лампу накаливания последовательно кон-денсатору и подключим к источнику тока (рис. 9.), то лампа загорится на короткое время, после чего погаснет. Почему же в начальный момент появляется в цепи электрический ток? При включении конденсатора в цепь, он не заряжен. В замкнутой цепи источник тока создаёт электрическое поле. Электроны под действием этого поля перераспределяются в обкладках конденсатора. В одну обкладку они поступают из источника тока, с другой уходят в тот же источник. В цепи возникает электрический ток.

Однако на обкладке конденсатора, которая подключена к (+) источника имеется определённое количество свободных электронов (рис. 10.). Когда они все уйдут, то тока в цепи не будет (рис.11). Конденсатор полностью зарядится.

Рис. 11. График, поясняющий переходный процесс при зарядке конденсатора.

Вопрос 12. Что такое переходный процесс? Начальный процесс перераспределения электронов в конденсаторе называется переходным процессом.

Провода, которые подводят электрический ток, имеют сопро-тивление. Тогда время переходного процесса равно:

T = 3RC

Чем больше ёмкость и сопротивление, тем дольше будет гореть лампочка. При разрядке конденсатора через сопротивление происходят те же явления, т. е., разрядка происходит не мгновенно, а тоже по экспоненциальному закону (рис. 12 ), а продолжительность переходного процесса определяется по формуле.

Рис. 12. Схема и графики, поясняющие переходный процесс при разрядке конденсатора.

Вопрос 13. Как ведёт себя конденсатор в цепи переменного тока? Переменный ток в металлах представляет собой колебательное движение электронов то в одном, то в другом направлении. Если к источнику переменного тока подключить конденсатор, то его обк-ладки будут периоди­чески заряжаться и разряжаться элект­ронами (рис. 13).

Рис. 13. При прохождении переменного тока через конденсатор электроны только скапливаются на электродах, но не проходят через диэлектрик.

Несмотря на то, что электроны не проникают сквозь диэлектрик, во внешней цепи их движе­ние колебательное, т. е., протекает пе­ременный ток.

Вопрос 14. Что такое ёмкостное сопротивление? Сопротивле-ние, которое конденса­тор оказывает переменному току, на­зывается ёмкостным сопротивлнием и измеряется в омах. Оно обозначается Хс, и вычисляется по формуле:

(1.), где f – частота тока в Гц; С – ёмкость конденсатора в Ф.

Отсюда следует, что ёмкостное соп­ротивление зависит как от величины ёмкости конденсатора, так и от час­тоты. Чем больше ёмкость и выше частота, тем меньше ёмкостное сопро­тивление.

Пример. Найти ёмкостное соп­ротивление конденсатора емкостью

0,1 мкФ при частоте 50 Гц.

Превращаем значение ёмкость в фарады и подставляем в формулу (1.)

Этот же конденсатор при частоте 500 Гц будет иметь ёмкостное сопро­тивление Х с =3200 Ом, а при частоте 1 МГц — Xc =1,6 Ом, т. е., будет представлять собой почти короткое за­мыкание для то-

ков высокой частоты.

Зависимость ёмкостного сопротивле­ния этого конденсатора от частоты (на­зывается ещё частотной характеристикой) показана на рис. 14.

Теперь, когда мы уже знаем, что представляет собой емкостное сопро­тивление, можем записать закон Ома для переменного тока через конденса­торы:

U = Xc I ( 2)

Пример. Какой ток протечет в цепи (рис. 15), если конденсатор ёмкостью С=8 мкФ подключить к осветительной сети.

Превращаем микрофарады в фарады и находим ёмкостное сопротивле­ние конденсатора:

Рис. 14. При увеличении частоты емкостное сопротивление уменьшается.

Рис. 15. Даже при протекании тока значительной величины конденсатор не нагревается, т. к., имеет реактивное сопротивление.

После чего по закону Ома получаем

Вопрос 15. Что означает реактивная мощность? Очень часто, что сопротив­ление конденсатора реактивно. Чтобы объяснить это, снова рассмотрим опыт, показанный на (рис. 15), задав себе вопрос: какова мощность, выде­ляемая на конденсаторе? На первый взгляд эту мощность можем найти, ис­пользуя формулу :

Р = U × I = 220 × 0,55 = 120 Вт.

Но, кос­нувшись конденсатора рукой, устано­вим, что даже и после продолжи­тельной работы он остается холодным.

Причина в том, что конденсатор —это реактивное сопротив-ление, т.е., в нём максимум напряжения и тока не наступают одно-временно, как в актив­ном сопротивлении. Чтобы понять это, при-помним, как изменяется ток и на­пряжение при подключнии кон-денса­тора к источнику постоянного напря­жения. Это было показано на (рис. 16), где даны графики напряжения и тока.

Рис. 16. При емкостном сопротивлении синусоидальное напряжение отстает на 90 от тока.

Из этого рисунка видно, что в первый момент включения напряжение между обкладками равно нулю, а ток макси­мальный.

После того, как конденсатор зарядится и его напряжение станет максимальным, ток через конденсатор уменьшится до нуля.

Упомянутая особенность конденса­тора проявляется и тогда, когда он подключён к переменному синусои­дальному напряжению. Это показано на (рис. 16). Из этого графика следует, что когда ток максимальный, то на­пряжение между обкладками конденса­тора равно нулю, а когда напряжение максимально, ток через конденсатор равен нулю. Следовательно, приложен­ное напряжение и протека-ющий ток имеют разность фаз 90 и ток опере­жает напряжение.

Поскольку конденсатор — реактив­ное сопротивление, мощность в цепи тоже реактивная .Чтобы выяснить это понятие, вспомним, что мощ­ность — это произведение напряжения и тока . Из (рис 16.) следует, что в первой четвер­ти периода (участок 1 —2) ток и напря­жение положительны, т. е., мощность Р=U/I положительна. Это значит, что за эту часть периода конденсатор заря­жается и принимает энергию от элект­рической сети Во второй четверти пе­риода (участок 2—3) напряжение положительно, но ток отрицателен, т. е., мощность отрицательна. Это значит, что в эту часть периода конденсатор разряжается и отдаёт свою энергию обратно в сеть Точно так же видно, что в третьей четверти периода (учас­ток 3—4) напряжение и ток отрица­тельны, но мощность положительна (конденсатор заряжается), а в четвёр­той четверти периода (участок 4—5) напряжение отрицательно, а ток поло­жителен, т. е., мощность отрицательна (конденсатор разряжается). Следова­тельно, в реактивных сопротивлениях налицо постоянный обмен энергией между генератором и конденсатором, при этом средняя мощность равна ну­лю, и именно поэтому конденсатор на (рис. 15.) не нагревается, несмотря на протекающий через него значительный ток.

Вопрос 16. Как соединяются конденсаторы? Конденсаторы соединяются параллельно (рис. 17.) и последовательно (рис. 18.).

Последователь­ное соединение иногда при­меняют и с целью получе­ния конденсатора с большим номинальным напряжением. К примеру, при последователь­ном соединении конденсато­ров ёмкостью по 1 мкф на номинальное напряжение 250 В каждый общая ёмкость со­ставит 0,5 мкф, а номиналь­ное напряжение 500 В.

Вопрос 17. Какие виды конденсаторов постоянной ёмкости бывают? Существуют различные виды конденсаторов постоянной ёмкости рис. 19.

К конденсаторам относятся: БМ — бумажный малогабаритный, БМТ — бумажный мало-габаритный тепло­стойкий, КД — керами-ческий дисковый, КЛС — керамиче­ский литой секционный, КМ — керамический монолит­ный, КСО—слюдяной спрессованный, КТ—керамиче­ский трубчатый, МБГ — металлобумажный герметизиро­ванный, МБГО — металлобумажный герметизированный

На (рис. 21.) представлены высоковольтные конденсаторы постоянной ёмкости.

Вопрос 18. Какие бывают оксидные (электролитические) конденсаторы? В оксидных конденсаторах (старое название—электролитические) роль одной обкладки (анода) играет алюминиевый или танталовый электрод, роль диэлектрика—тонкий оксидный слой, нанесённый на него, а роль другой обкладки (катода) —специальный электролит, выводом которого часто служит металлический корпус

Рис. 20. Виды конденсаторов постоянной ёмкости.

Рис. 21. Высоковольтные конденсаторы постоянной ёмкости.

конденса­тора. В отличие от других большинство типов оксидных конденсаторов полярны, т. е, требуют для нормальной работы поляризующего напряжения. Это значит, что включать их можно только в цепи постоянного или пульсирующего напряже­ния и только в той полярности (катод—к минусу, анод—к плюсу), которая указана на корпусе. Невыполнение этого условия приводит к выходу конден­сатора из строя, что иногда сопровождается взрывом.

Полярность включения оксидного конденсатора показывают на схемах зна­ком «+», изображаемым у той обкладки, которая симво-лизирует анод (рис. 22,а). Это общее обозначение поляризованного конденсатора. Наряду с ним специально для оксидных конденсаторов установил символ, в котором положительная обкладка изображается узким прямоугольником (рис. 22,б), причём знак «+» в этом случае можно не указывать.

В схемах радиоэлектронных приборов иногда можно встретить обозначение оксидного конденсатора в виде двух узких прямоугольников (рис.22,в). Это символ неполярного оксидного конденсатора, который может работать в цепях переменного тока (т. е., без поляризующего напряжения).

Рис. 22. Оксидные конденсаторы и их обозначение на схемах.

Оксидные конденсаторы очень чувствительны к перенапряже-ниям, поэтому на схемах часто указывают не только их номинальную ёмкость, но и номиналь­ное напряжение.

С целью уменьшения размеров в один корпус иногда заключают

два кон­денсатора, но выводов делают только три (один—общий).

Условное обозначе­ние сдвоенного конденсатора (рис. 166,г).

Оксидные конденсаторы, емкости кото­рых соответствуют другому ряду 0,5, 1, 2, 5, 10, 20, 30, 50,100, 200, 300, 500, 1000, 2000, 5000 (иногда 4000 — напри­мер, для конденсаторов К50-6).

На рис. 23. представлены различные оксидные конденсаторы.

Рис.23. Оксидные конденсаторы.

Вопрос 19. Как устроен конденсатор переменной ёмкости? Конденсатор переменной ем­кости состоит из двух групп металли-ческих пластин, одна из которых может плавно перемещаться по отно-шению к другой. При этом движении пластины по­движной части (ро-тора) обычно вводятся в зазоры между пластинами непо­движной части (статора), в результате чего площадь перекрытия одних плас­тин

диэлектриком несколько хуже, но зато они значительно дешевле в производстве и размеры их намного меньше, чем КПЕ с воздушным диэлектриком.

Вопрос 20. Как обозначаются конденсаторы переменной ёмкости на схемах? Условное обозначение КПЕ — это символ кон-денсатора постоянной ёмкости, перечеркнутый знаком регули­рования. (рис. 25.).

Основными параметрами КПЕ, являются минимальная и максимальная ёмкость, которые, как правило, указывают на схеме рядом с символом КПЕ.

В большинстве радиоприёмников и радиопередатчиков для одновременной настройки нескольких колебательных контуров при-меняют блоки КПЕ, состоя­щие из двух, трёх и более секций. Роторы в таких блоках закреплены на од­ном общем валу, вращая который мож-но одновременно изменять ёмкость всех секций.

Рис.25. Конденсаторы переменной ёмкости.

Вопрос 21. Зачем нужен подстроечный конденсатор? Для установки начальной ёмкости колеба­тельного контура, определяющей максимальную частоту его настройки, при­меняют подстроечные конденсаторы, ёмкость которых можно изменять от еди­ниц пикофарад до нескольких десятков пикофарад (иногда и более).

Вопрос 22. Какие требования предъявляются к подстроечным конденсаторам? Основное требование к ним — плавность изменения ёмкости и надёжность фиксации ротора в установленном при настройке положении. Оси подстроечных конден­саторов (обычно короткие) имеют шлиц, поэтому регулирование их ёмкости возможно только с применением инструмента (отвёртки). В радиовещатель­ной аппаратуре наиболее широко применяют конденсаторы с твёрдым ди­электриком.

Вопрос 23. Какова конструкция подстроечных конденсато-ров? Конструкция керамического подстроечного конденсатора (КПК)

одного из наиболее распространённых типов показана на рис. 26,а. Он состоит из кера­мического основания (статора) и подвижно закреп-лённого на нём керамического диска (ротора). Обкладки конденсатора — тонкие слои серебра — нанесены ме­тодом вжигания на статор и наружную сторону ротора. Ёмкость изменяют вра­щением ротора.

Вопрос 24. Как обозначаются подстроечные конденсаторы? Подстроечные конденсаторы обозначают на схемах основным симво-лом, перечёркнутым знаком подстроечного регулирования (рис. 26,б).

Рис. 26. Подстроечные конденсаторы.

ДЛЯ ЗАМЕТОК

ДЛЯ ЗАМЕТОК

ДЛЯ ЗАМЕТОК