Головна характеристика конденсатора. Що таке конденсатор
Довжина і відстань Маса Заходи обсягу сипучих продуктів і продуктів харчування Площа Обсяг і одиниці вимірювання в кулінарних рецептах Температура Тиск, механічне напруження, модуль Юнга Енергія і робота Потужність Сила Час Лінійна швидкість Плоский кут Теплова ефективність і паливна економічність Числа Одиниці виміру кількості інформації Курси валют Розміри жіночого одягу та взуття Розміри чоловічого одягу та взуття Кутова швидкість і частота обертання Прискорення Кутове прискорення Щільність Питома обсяг момент інерції момент сили, що обертає Питома теплота згоряння (по масі) Щільність енергії та питома теплота згоряння палива (за обсягом) Різниця температур Коефіцієнт теплового розширення Термічний опір Питома теплопровідність Питома теплоємність Енергетична експозиція, потужність теплового випромінювання Щільність теплового потоку Коефіцієнт тепловіддачі Об'ємний витрата Масова витрата Молярний витрата Щільність потоку маси Молярная концентрація Масова концентрація в розчині Динамічна (абсолютна) в'язкість Кінематична в'язкість поверхневий натяг Паропроникність Паропроникність, швидкість перенесення пара Рівень звуку Чутливість мікрофонів Рівень звукового тиску (SPL) Яскравість сила світла Освітленість Дозвіл в комп'ютерній графіці Частота і довжина хвилі Оптична сила в діоптріях і фокусна відстань Оптична сила в діоптріях і збільшення лінзи (×) Електричний заряд Лінійна щільність заряду Поверхнева щільність заряду густина заряду Електричний струм Лінійна щільність струму Поверхнева щільність струму Напруженість електричного поля Електростатичний потенціал і напруга Електричний опір Питомий електричний опір Електрична провідність Питома електрична провідність Електрична ємність Индуктивность Американський калібр проводів Рівні в dBm (дБм або дБмВт), dBV (дБВ), ваттах і ін. Одиницях Магніторушійна сила Напруженість магнітного поля Магнітний потік Магнітна індукція Потужність поглиненої дози іонізуючого випромінювання Радіоактивність. Радіоактивний розпад Радіація. Експозиційна доза Радіація. Поглинена доза Десяткові приставки Передача даних Типографіка і обробка зображень Одиниці виміру обсягу лісоматеріалів Обчислення молярної маси періодична система хімічних елементів Д. І. Менделєєва
1 фарад [Ф] \u003d 1000000 микрофарад [мкФ]
вихідна величина
перетворена величина
фарад ексафарад петафарад терафарад гігафарад мегафарад кілофарад гектофарад декафарад деціфарад сантіфарад мілліфарад микрофарад нанофарадах пикофарад фемтофарад аттофарад кулон на вольт абфарад одиниця ємності СГСМ статфарад одиниця ємності СГСЕ
Метрична система і СІ
Детальніше про електричну ємності
Загальні відомості
Електрична ємність - це величина, що характеризує здатність провідника накопичувати заряд, що дорівнює відношенню електричного заряду до різниці потенціалів між провідниками:
C \u003d Q / Δφ
тут Q - електричний заряд, вимірюється в кулонах (Кл), - різниця потенціалів, вимірюється в вольтах (В).
В системі СІ електроємність вимірюється в Фарада (Ф). Дана одиниця виміру названа на честь англійського фізика Майкла Фарадея.
Фарад є дуже великою ємністю для ізольованого провідника. Так, металевий відокремлений куля радіусом в 13 радіусів Сонця мав би ємність рівну 1 фарад. А ємність металевої кулі розміром з Землю була б приблизно 710 микрофарад (мкФ).
Так як 1 фарад - дуже велика ємність, тому використовуються менші значення, такі як: микрофарад (мкФ), що дорівнює одній мільйонній Фарада; нанофарадах (нФ), що дорівнює одній мільярдної; пикофарад (пФ), що дорівнює одній трильйонної Фарада.
В системі СГСЕ основною одиницею ємності є сантиметр (см). 1 сантиметр ємності - це електрична ємність кулі з радіусом 1 сантиметр, поміщеного в вакуум. СГСЕ - це розширена система СГС для електродинаміки, тобто, система одиниць в якій сантиметр, грам, і секунда прийняті за базові одиниці для обчислення довжини, маси і часу відповідно. В розширених СГС, включаючи СГСЕ, деякі фізичні константи прийняті за одиницю, щоб спростити формули і полегшити обчислення.
Використання ємності
Конденсатори - пристрої для накопичення заряду в електронному обладнанні
Поняття електричної ємності відноситься не тільки до провідника, а й до конденсатору. Конденсатор - система двох провідників, розділених діелектриком або вакуумом. У найпростішому варіанті конструкція конденсатора складається з двох електродів у вигляді пластин (обкладок). Конденсатор (від лат. Condensare - «ущільнювати», «згущувати») - двухелектродний прилад для накопичення заряду і енергії електромагнітного поля, в найпростішому випадку являє собою два провідники, розділені будь-яким ізолятором. Наприклад, іноді радіоаматори при відсутності готових деталей виготовляють Конденсатори підлаштування для своїх схем з відрізків проводів різного діаметру, ізольованих лаковим покриттям, при цьому більш тонкий провід намотується на більш товстий. Регулюючи число витків, радіоаматори точно налаштовують контуру апаратури на потрібну частоту. Приклади зображення конденсаторів на електричних схемах наведені на малюнку.
Історична довідка
Ще 275 років тому були відомі принципи створення конденсаторів. Так, в 1745 р в Лейдені німецький фізик Евальд Юрген фон Клейст і нідерландський фізик Пітер ван Мушенбрук створили перший конденсатор - « лейденську банку»- в ній діелектриком були стінки скляної банки, а обкладинками служили вода в посудині і долоню експериментатора, що тримала посудину. Така «банку» дозволяла накопичувати заряд порядку мікрокулона (мкКл). Після того, як її винайшли, з нею часто проводили експерименти і публічні уявлення. Для цього банку спочатку заряджали статичною електрикою, Натираючи її. Після цього один з учасників торкався до банку рукою, і отримував невеликий удар струмом. Відомо, що 700 паризьких ченців, взявшись за руки, провели лейденський експеримент. У той момент, коли перший монах доторкнувся до голівки банки, все 700 ченців, зведені однією судомою, з жахом скрикнули.
До Росії «лейденська банку» прийшла завдяки російському царю Петру I, який познайомився з Мушенбрук під час подорожей по Європі, і докладніше дізнався про експерименти з «лейденської банкою». Петро I заснував в Росії Академію наук, і замовив Мушенбрук різноманітні прилади для Академії наук.
Надалі конденсатори вдосконалилися і ставали менше, а їх ємність - більше. Конденсатори широко застосовуються в електроніці. Наприклад, конденсатор і котушка індуктивності утворюють коливальний контур, який може бути використаний для настройки приймача на потрібну частоту.
Існує кілька типів конденсаторів, що відрізняються постійної або змінної ємністю і матеріалом діелектрика.
приклади конденсаторів
Промисловість випускає велику кількість типів конденсаторів різного призначення, але головними їх характеристиками є ємність і робоча напруга.
типові значення ємності конденсаторів змінюються від одиниць пикофарад до сотень микрофарад, виняток становлять іоністори, які мають дещо інший характер формування ємності - за рахунок подвійного шару у електродів - в цьому вони подібні до електрохімічним акумуляторів. Суперконденсатори на основі нанотрубок мають надзвичайно розвинену поверхню електродів. У цих типів конденсаторів типові значення ємності складають десятки фарад, і в деяких випадках вони здатні замінити в якості джерел струму традиційні електрохімічні акумулятори.
Другим за важливістю параметром конденсаторів є його робоча напруга. Перевищення цього параметра може призвести до виходу конденсатора з ладу, тому при побудові реальних схем прийнято застосовувати конденсатори з подвоєним значенням робочої напруги.
Для збільшення значень ємності або робочої напруги використовують прийом об'єднання конденсаторів в батареї. При послідовному з'єднанні двох однотипних конденсаторів робоча напруга подвоюється, а сумарна ємність зменшується в два рази. При паралельному з'єднанні двох однотипних конденсаторів робоча напруга залишається тим самим, а сумарна ємність збільшується в два рази.
Третім за важливістю параметром конденсаторів є температурний коефіцієнт зміни ємності (ТКЕ). Він дає уявлення про зміну ємності в умовах зміни температур.
Залежно від призначення використання, конденсатори поділяються на конденсатори загального призначення, вимоги до параметрів яких некритичні, і на конденсатори спеціального призначення (Високовольтні, прецизійні і з різними ТКЕ).
маркування конденсаторів
Подібно резисторам, в залежності від габаритів вироби, може застосовуватися повна маркування із зазначенням номінальної ємності, класу відхилення від номіналу і робочої напруги. Для малогабаритних виконань конденсаторів застосовують кодову маркування з трьох або чотирьох цифр, змішану цифро-буквену маркування та кольорове маркування.
Відповідні таблиці перерахунку маркувань за номіналом, робочою напругою та ТКЕ можна знайти в Інтернеті, але найдієвішим і практичним методом перевірки номіналу і справності елемента реальної схеми залишається безпосереднє вимірювання параметрів Випаяв конденсатора за допомогою мультиметра.
попередження: оскільки конденсатори можуть накопичувати великий заряд при вельми високій напрузі, Щоб уникнути поразки електричним струмом необхідно перед вимірюванням параметрів конденсатора розряджати його, закоротив його висновки проводом з високим опором зовнішньої ізоляції. Найкраще для цього підходять штатні дроти вимірювального приладу.
Оксидні конденсатори: даний тип конденсатора має велику питомою ємністю, тобто, ємністю на одиницю ваги конденсатора. Одна обкладка таких конденсаторів є зазвичай алюмінієву стрічку, покриту шаром оксиду алюмінію. Другий обкладанням служить електроліт. Так як оксидні конденсатори мають полярність, то принципово важливо включати такий конденсатор в схему строго відповідно до полярністю напруги.
Твердотільні конденсатори: в них замість традиційного електроліту в якості обкладки використовується органічний полімер, який проводить струм, або напівпровідник.
Змінні конденсатори: ємність може змінюватися механічним способом, електричною напругою або за допомогою температури.
Плівкові конденсатори: діапазон ємності даного типу конденсаторів становить приблизно від 5 пФ до 100 мкФ.
Є й інші типи конденсаторів.
іоністори
В наші дні популярність набирають іоністори. Іоністор (суперконденсатор) - це гібрид конденсатора і хімічного джерела струму, заряд якого накопичується на межі поділу двох середовищ - електрода і електроліту. Початок створенню іоністорів було покладено в 1957 році, коли був запатентований конденсатор з подвійним електричним шаром на пористих вугільних електродах. Подвійний шар, а також пористий матеріал допомогли збільшити ємність такого конденсатора за рахунок збільшення площі поверхні. Надалі ця технологія доповнювалася і поліпшувалася. На ринок іоністори вийшли на початку вісімдесятих років минулого століття.
З появою іоністорів з'явилася можливість використовувати їх в електричних ланцюгах як джерела напруги. Такі суперконденсатори мають довгий термін служби, малу вагу, високі швидкості зарядки-розрядки. У перспективі даний вид конденсаторів може замінити звичайні акумулятори. Основними недоліками іоністорів є менша, ніж у електрохімічних акумуляторів питома енергія (енергія на одиницю ваги), низька робоча напруга і значний саморозряд.
Іоністори застосовуються в автомобілях Формули-1. У системах рекуперації енергії, при гальмуванні виробляється електроенергія, яка накопичується в маховику, акумуляторах або іоністорів для подальшого використання.
У побутовій електроніці іоністори застосовуються для стабілізації основного харчування і в якості резервного джерела живлення таких приладів як плеєри, ліхтарі, в автоматичних комунальних лічильниках і в інших пристроях з батарейним харчуванням і змінюється навантаженням, забезпечуючи харчування при підвищеному навантаженні.
У громадському транспорті застосування іоністорів особливо перспективно для тролейбусів, так як стає можлива реалізація автономного ходу і збільшення маневреності; також іоністори використовуються в деяких автобусах і електромобілях.
Електричні автомобілі в теперішньому часі випускають багато компаній, наприклад: General Motors, Nissan, Tesla Motors, Toronto Electric. Університет Торонто спільно з компанією Toronto Electric розробили повністю канадський електромобіль A2B. У ньому використовуються іоністори разом з хімічними джерелами живлення, так зване гібридне електричне зберігання енергії. Двигуни даного автомобіля живляться від акумуляторів вагою 380 кілограм. Також для підзарядки використовуються сонячні батареї, встановлені на даху електромобіля.
Ємнісні сенсорні екрани
В сучасних пристроях все частіше застосовуються сенсорні екрани, які надають право керувати пристроями шляхом дотику до панелей з індикаторами або екранів. Сенсорні екрани бувають різних типів: резистивні, ємнісні та інші. Вони можуть реагувати на одне або кілька одночасних дотиків. Принцип роботи ємнісних екранів грунтується на тому, що предмет великої ємності проводить змінний струм. В даному випадку цим предметом є тіло людини.
Поверхнево-ємнісні екрани
Таким чином, поверхнево-ємнісний сенсорний екран являє собою скляну панель, покриту прозорим резистивним матеріалом. Як резистивного матеріалу зазвичай застосовується має високу прозорість і мале поверхневий опір сплав оксиду індію та оксиду олова. Електроди, що подають на провідний шар невелике змінну напругу, розташовуються по кутах екрана. При торканні до такого екрану пальцем з'являється витік струму, яка реєструється в чотирьох кутах датчиками і передається в контролер, який визначає координати точки дотику.
Перевага таких екранів полягає в довговічності (близько 6,5 років натискань з проміжком в одну секунду або близько 200 млн. Натискань). Вони володіють високою прозорістю (приблизно 90%). Завдяки цим перевагам, ємнісні екрани вже з 2009 року активно почали витісняти резистивні екрани.
Недолік ємнісних екранів полягає в тому, що вони погано працюють при негативних температурах, є труднощі з використанням таких екранів в рукавичках. Якщо проводить покриття розташоване на зовнішній поверхні, то екран є досить уразливим, тому ємнісні екрани застосовуються лише в тих пристроях, які захищені від негоди.
Проекційно-ємнісні екрани
Крім поверхнево-ємнісних екранів, існують проекционно-ємнісні екрани. Їх відмінність полягає в тому, що на внутрішній стороні екрану нанесена сітка електродів. Електрод, до якого торкаються, разом з тілом людини утворює конденсатор. Завдяки сітці, можна отримати точні координати торкання. Проекційно-ємнісний екран реагує належним чином в тонких рукавичках.
Проекційно-ємнісні екрани також володіють високою прозорістю (близько 90%). Вони довговічні і досить міцні, тому їх широко застосовують не тільки в персональній електроніці, але і в автоматах, в тому числі встановлених на вулиці.
Ви маєте труднощі в перекладі одиниці виміру з однієї мови на іншу? Колеги готові вам допомогти. Опублікуйте питання в TCTerms і протягом декількох хвилин ви отримаєте відповідь.
Що таке конденсатор? Як він влаштований? Хто винайшов перший в світі конденсатор? - всі ці питання ми сьогодні детально розкриємо. Отже, що ж це за пристрій. Багато зі школи пам'ятають, що конденсатор -
це пристрій, призначений для накопичення і передачі заряду. Складається воно з двох металевих пластин, між якими знаходиться шар діелектрика.
Історія цього пристрою почалася з 1745 року, коли німецький фізик Евальд Юрген фон Клейст і голландський фізик Пітер ван Мушенбрук випадково створили лейденську банку. Вона то і стала першим в світі конденсатором. Найголовніше в конденсаторі це його ємність і номінальну напругу.
Ємність -
це здатність конденсатора накопичувати в собі електричний заряд. Ємність вимірюється в Фарадах (Ф). Найбільш часто зустрічаються величини при розрахунках це:
- пикофарад (10 -12);
- нанофарадах (10 -9);
- микрофарад (10 -6).
Наведу приклад: ємність нашої планети Земля становить 710мкФ. Для того що б отримати 1 Фарад необхідний такий провідник, потенціал якого зростав би на 1В при передачі йому заряду в 1 Кулон. Тобто ясно, що 1 Фарад це дуже велика ємність, тому при розрахунках або при проектуванні частіше застосовують невеликі величини (пкФ, нФ, мкФ). До речі ось маленька шпаргалка: 1мкФ \u003d 1000нФ \u003d 1000000пкФ. Конденсатори зустрічаються майже в будь-яких електричних пристроях: В приладах, в комп'ютерах,
, В платах і т.п.
І знайте, що ємність збільшується з площею обкладок і зменшується з відстанню між ними. З ємністю начебто все зрозуміло, тепер перейдемо до номінальної напруги.
це напруга, при перевищенні якого настає пробою діелектрика. Отже, робота пристрою припиниться, тому що при пробої діелектрика виникне Номінальна напруга залежить як від самого діелектрика (матеріалу), так і від відстані між обкладинками. Необхідно також знати, що номінальна напруга має бути не менше ніж в 2 рази вище ніж те, яке буде до нього докладено під час роботи. Іншими словами, якщо джерело живлення розрахований на 12В, то номінальну напругу конденсатора повинно бути не нижче 12 * 2 \u003d 24В. З номінальною напругою, Сподіваюся все зрозуміло йдемо далі.
Як Ви думаєте, від чого залежить час зарядки і розрядки самого конденсатора? Ви, напевно, вже здогадалися, що від ємності і загального опору ланцюга. Тобто чим більше ємність і опір, тим більше часу буде потрібно на зарядку. Адже якщо ємність велика, слідчо кількість вміщається заряду в неї буде більше, а значить і час на зарядку і розрядку буде теж більше. Це як з
Ну а опір зменшує струм, а якщо струм невеликої, то буде потрібно більше часу на зарядку.
У реальному житті необхідно пам'ятати, що є так званий струм витоку
. Мало хто знає, що діелектрик все ж пропускає малий струм між пластинами. А якщо пропускає, то з часом це призводить до втрати первісного заряду. Тобто якщо конденсатор був повністю заряджений, то через якийсь проміжок часу заряду в ньому стане менше і буде зменшуватися до наступного включення в мережу.
типи конденсаторів
Ми розглянули основні характеристики, а також дізналися, від чого залежить час зарядки і розрядки і як впливає струм витоку на заряд конденсатора. Всі конденсатори розрізняються за габаритами і внутрішнім характеристикам. Тому краще знати типи конденсаторів, це стане в нагоді в радіотехніці, електроніці ... Зліва коротке позначення (БМ, КД, БМТ і т.д.), а праворуч його розшифровка:
БМ - паперовий малогабаритний
БМТ - паперовий малогабаритний теплостійкий
КД - керамічний дисковий
КЛС - керамічний литий секційний
КМ - керамічний монолітний
КПК-М - підлаштування керамічний малогабаритний
КСВ - слюдяно опресованний
КТ - керамічний трубчастий
МБГ - металопаперові герметизований
МБГО - металопаперові герметизований одношаровий
МБГТ - металопаперові герметизований теплостійкий
МБГЧ - металопаперові герметизований одношаровий
МБМ - металопаперові малогабаритний
ПМ - полістироловий малогабаритний
ПО - плівковий відкритий
ПСО - плівковий стірофлексний відкритий
Поляризувати і неполярізірованние конденсатори
При уважному огляді корпусу можна побачити позначення на полюсах «+» і «-». Ті конденсатори, у яких є такі позначення, називаються поляризувати, А ті у яких їх немає - неполярізірованние. Ці позначення обов'язково слід враховувати (плюс до плюса, міну до мінуса), інакше при неправильному підключенні конденсатор вийде з ладу. Але таке позначення є не у всіх пристроїв. Наприклад, ті пристрої, ємність яких більше 0,5 мкФ - поляризувати, а до неполярізірованним можна віднести керамічні дискові та інші ємнісні конденсатори.
Основним елементом втрат є діелектрик. При підвищенні частоти, вологості довкілля або 
втрати зростають. Наприклад, при зміні температури відстань між обкладинками змінюється і властивості конденсатора відповідно теж. Мінімальні втрати мають ті пристрої, діелектрик якого виконаний з високочастотної кераміки, а також паперові та сегнетокераміческіе діелектрики.
Залежно від конструкції і діелектрика конденсатори характеризуються різним температурним коефіцієнтом ємності (ТКЕ). Він показує відносну зміну ємності при зміні температури на 1 ° C. Причому температурний коефіцієнт ємності може бути як позитивним, так і негативним. За значенням і знаку ТКЕ все конденсатори ділять на групи, яким присвоюють літерні позначення і колір корпусу.
Втрати потрібно враховувати при заміні пошкодженого конденсатора.
Прочитавши цей текст, Ви дізналися, що таке конденсатор і чим він характеризується. Дякуємо за увагу)))
конденсатор - електронний компонент, призначений для накопичення електричного заряду. Здатність конденсатора накопичувати електричний заряд залежить від його головна характеристика – ємності. Ємність конденсатора (С) визначається як співвідношення кількості електричного заряду (Q) до напруги (U).
Ємність конденсатора вимірюється в фарада (F) - одиницях, названих на честь британського вченого фізика Майкла Фарадея. ємність в один фарад (1F) дорівнює кількості заряду в один кулон (1C), що створює напругу на конденсаторі в один вольт (1V). Згадаймо, що один кулон (1С) дорівнює величині заряду, що пройшов через провідник за одну секунду (1sec) при силі струму в один ампер (1A).
Однак кулон, це дуже велика кількість заряду щодо того, скільки здатне зберігати більшість конденсаторів. З цієї причини, для вимірювання ємності зазвичай використовують мікрофарад (μF або uF), нанофарадах (nF) і пикофарад (pF).
- 1μF \u003d 0.000001 \u003d 10 -6 F
- 1nF \u003d 0.000000001 \u003d 10 -9 F
- 1pF \u003d 0.000000000001 \u003d 10 -12 F
плоский конденсатор
Існує безліч типів конденсаторів різної форми і внутрішнього устрою. Розглянемо найпростіший і принциповий - плоский конденсатор. Плоский конденсатор складається з двох паралельних пластин провідника (обкладок), електрично ізольованих один від одного повітрям, або спеціальним діелектричним матеріалом (наприклад папір, скло або слюда).
Заряд конденсатора. Струм
За своїм призначенням конденсатор нагадує батарейку, проте все ж він сильно відрізняється по принципом роботи, Максимальної місткості, а також швидкості зарядки / розрядки.
Розглянемо принцип роботи плоского конденсатора. Якщо підключити до нього джерело живлення, на одній пластині провідника почнуть збиратися негативно заряджені частинки у вигляді електронів, на інший - позитивно заряджені частинки у вигляді іонів. Оскільки між обкладинками перебувати діелектрик, заряджені частинки не можуть «перескочити» на протилежну сторону конденсатора. Проте, електрони пересуваються від джерела живлення - до пластини конденсатора. Тому в ланцюзі йде електричний струм.
На самому початку включення конденсатора в ланцюг, на його обкладках найбільше вільного місця. Отже, початковий струм в цей момент зустрічає найменше опору і є максимальним. У міру заповнення конденсатора зарядженими частинками ток поступово падає, поки не закінчиться вільне місце на обкладинках і ток зовсім не припиниться.
Час між станами «порожнього» конденсатора з максимальним значенням струму, і «повного» конденсатора з мінімальним значенням струму (тобто його відсутністю), називають перехідним періодом заряду конденсатора.
Заряд конденсатора. напруга
На самому початку перехідного періоду зарядки, напруга між обкладками конденсатора дорівнює нулю. Як тільки на обкладинках починають з'являтися заряджені частинки, між різнойменними зарядами виникає напруга. Причиною цього є діелектрик між пластинами, який «заважає» прагнуть один до одного зарядів з протилежним знаком перейти на іншу сторону конденсатора.
На початковому етапі зарядки, напруга швидко зростає, тому що великий струм дуже швидко збільшує кількість заряджених частинок на обкладинках. Чим більше заряджається конденсатор, тим менше струм, і тeм повільніше росте напруга. В кінці перехідного періоду, напруга на конденсаторі повністю припинить зростання, і буде дорівнювати напрузі на джерелі живлення.
Як видно на графіку, сила струму конденсатора безпосередньо залежить від зміни напруги.
Формула для знаходження струму конденсатора під час перехідного періоду:
- C - Ємність конденсатора
- ΔVc / Δt - Зміна напруги на конденсаторі за відрізок часу
розряд конденсатора
Після того як конденсатор зарядився, відключимо джерело живлення і підключимо навантаження R. Так як конденсатор уже заряджений, він сам перетворився в джерело живлення. Навантаження R утворила прохід між пластинами. Негативно заряджені електрони, накопичені на одній пластині, згідно силі тяжіння між різнойменними зарядами, рушать в сторону позитивно заряджених іонів на іншій пластині.
У момент підключення R, напруга на конденсаторі той же, що і після закінчення перехідного періоду зарядки. Початковий струм за законом Ома буде дорівнювати напрузі на обкладинках, розділеному на опір навантаження.
Як тільки в ланцюзі піде струм, конденсатор почне розряджатися. У міру втрати заряду, напруга почне падати. Отже, струм теж впаде. У міру зниження значень напруги і струму, буде знижуватися їх швидкість падіння.
Час зарядки і розрядки конденсатора залежить від двох параметрів - ємності конденсатора C і загального опору в ланцюзі R. Чим більше ємність конденсатора, тим більша кількість заряду повинно пройти по ланцюгу, і тим більше часу потребуватиме процес зарядки / розрядки (струм визначається як кількість заряду, що пройшов по провіднику за одиницю часу). чим більше опір R, тим менше струм. Відповідно, більше часу буде потрібно на зарядку.
Продукт RC (опір, помножене на ємність) формує тимчасову константу τ (тау). За один τ конденсатор заряджається чи розряджається на 63%. За п'ять τ конденсатор заряджається чи розряджається повністю.
Для наочності підставимо значення: конденсатор ємністю в 20 микрофарад, опір в 1 кіло і джерело живлення в 10В. Процес заряду буде виглядати наступним чином:
Пристрій конденсатора. Від чого залежить ємність?
Ємність плоского конденсатора залежить від трьох основних чинників:
- Площа пластин - A
- Відстань між пластинами - d
- Відносна діелектрична проникність речовини між пластинами - ɛ
Площа пластин
Чим більше площа пластин конденсатора, тим більше заряджених частинок можуть на них розміститься, і тим більше ємність.
Відстань між пластинами
Ємність конденсатора обернено пропорційна відстані між пластинами. Для того щоб пояснити природу впливу цього фактора, необхідно згадати механіку взаємодії зарядів в просторі (електростатики).
Якщо конденсатор не перебуває у електричного кола, То на заряджені частинки, розташовані на його пластинах впливають дві сили. Перша - це сила відштовхування між однойменними зарядами сусідніх частинок на одній пластині. Друга - це сила тяжіння різнойменних зарядів між частинками, що знаходяться на протилежних пластинах. Виходить, що чим ближче один до одного знаходяться пластини, тим більше сумарна сила тяжіння зарядів з протилежним знаком, і тим більше заряду може розміститься на одній пластині.
Відносна діелектрична проникність
Не менш значущим фактором, що впливає на ємність конденсатора, є така властивість матеріалу між обкладинками як відносна діелектрична проникність ɛ. це безрозмірна фізична величина, Яка показує у скільки разів сила взаємодії двох вільних зарядів в діелектрику менше, ніж у вакуумі.
Матеріали з більш високою діелектричної проникністю дозволяють забезпечити більшу ємність. Пояснюється це ефектом поляризації - зміщенням електронів атомів діелектрика в сторону позитивно зарядженої пластини конденсатора.
Поляризація створює внутрішньо електричне поле діелектрика, яке послаблює загальну різницю потенціалу (напруги) конденсатора. Напруга U перешкоджає притоку заряду Q на конденсатор. Отже, зниження напруги сприяє розміщенню на конденсаторі більшої кількості електричного заряду.
Нижче наведені приклади значень діелектричної проникності для деяких ізоляційних матеріалів, використовуваних в конденсаторах.
- Повітря - 1.0005
- Папір - від 2.5 до 3.5
- Скло - від 3 до 10
- Слюда - від 5 до 7
- Порошок оксидів металів - від 6 до 20
Номінальна напруга
Другий за значимістю характеристикою після ємності є максимальне номінальну напругу конденсатора. Даний параметр позначає максимальне напруження, яке може витримати конденсатор. Перевищення цього значення призводить до «пробивання» ізолятора між пластинами і короткого замикання. Номінальна напруга залежить від матеріалу ізолятора і його товщини (відстані між обкладинками).
Слід зазначити, що при роботі з змінною напругою потрібно враховувати саме пікове значення (найбільше миттєве значення напруги за період). Наприклад, якщо ефективне напруга джерела живлення буде 50В, то його пікове значення буде понад 70В. Необхідне відповідне використовувати конденсатор з номінальною напругою понад 70В. Однак на практиці, рекомендується використовувати конденсатор з номінальною напругою не менше в два рази перевищує максимально можлива напруга, яке буде до нього докладено.
струм витоку
Також при роботі конденсатора враховується такий параметр як струм витоку. Оскільки в реальному житті діелектрик між пластинами все ж пропускає маленький струм, це призводить до втрати з часом початкового заряду конденсатора.
У першому наближенні конденсатори (рис. 1.8) - це частотно-залежні резистори.
Вони дозволяють створювати, наприклад, частотно-залежні подільники напруги. Для вирішення деяких завдань (шунтування, зв'язування контурів) великих знань про конденсаті і не потрібно, інші завдання (побудова фільтрів, резонансних схем, накопичення енергії) вимагають більш глибоких знань. Наприклад, конденсатори не розсіюється енергію, хоча через них і протікає струм, - справа в тому, що струм і напруга на конденсаторі зміщені один щодо одного по фазі на 90º.
Конденсатор - це пристрій, що має два висновки і володіє наступною властивістю:
Конденсатор, який має ємність С фарад, до якого прикладено напругу Uвольт, накопичує заряд Q кулон.
Продифференцировав вираз для- Q, отримаємо
(6)
Отже, конденсатор - це більш складний елемент, ніж резистор; ток пропорційний не просто напрузі, а швидкості зміни напруги. Якщо напруга на конденсаторі, що має ємність 1 Ф, зміниться на 1 В за 1 с, то отримаємо струм 1 А. І навпаки, протікання струму 1 А через конденсатор ємністю 1 Ф викликає зміна напруги на 1 В за 1 с. Ємність, рівна одній Фарадей, дуже велика, і тому частіше мають справу з мікрофарадах (мкФ) або пикофарад (пФ). (Для того щоб збити з пантелику непосвячених, на принципових схемах іноді опускають позначення одиниць виміру. Їх доводиться вгадувати з контексту.) Наприклад, якщо подати струм 1 мА на конденсатор ємністю 1 мкФ, то напруга за 1 з зросте на 1000 В. Імпульс струму тривалістю 10 мс викличе збільшення напруги на конденсаторі на 10 В (рис. 1.9).
Промисловість випускає конденсатори різноманітних форм і розмірів; через деякий час ви познайомитеся з найбільш поширеними представниками цього великого сімейства. найпростіший конденсатор складається з двох провідників, розташованих на невеликій відстані один від одного (але не стикаються між собою); справжні найпростіші конденсатори мають саме таку конструкцію. Щоб отримати велику ємність, потрібні велика площа і менший зазор між провідниками; зазвичай для цього один з провідників покривають тонким шаром ізолюючого матеріалу (званого діелектриком), для таких конденсаторів використовують, наприклад, алітірованную (покриту алюмінієм) майларовим плівку. Широке поширення отримали наступні типи конденсаторів: керамічні, електролітичні (виготовлені з металевої фольги зоксидною плівкою в якості ізолятора), слюдяні (виготовлені з металізованої слюди). Кожному типу конденсаторів притаманні свої якості. Загалом, можна сказати, що для некритичних схем підходять керамічні і майларові конденсатори; в схемах, де потрібна велика ємність, застосовуються танталові конденсатори, а для фільтрації в джерелах живлення використовують електролітичні конденсатори.
Паралельне і послідовне з'єднання конденсаторів
Ємність декількох паралельно з'єднаних конденсаторів дорівнює сумі їх ємностей. Неважко в цьому переконатися: докладемо напруга до паралельному з'єднанню, тоді
(8)
для послідовного з'єднання конденсаторів маємо таке ж вираження, як для паралельного з'єднання резисторів:
(9)
В окремому випадку для двох конденсаторів
(10)
§ 1.5. Зміни в часі напруги і струму
RC-ланцюга
Для аналізу ланцюгів змінного струму (Або в загальному випадку схем, які працюють зі змінними напругами і струмами) можна використовувати характеристики двох типів. По-перше, можна розглядати зміни напруги U і струму I в часі, а по-друге, - зміна амплітуди при зміні частоти сигналу. І ті й інші характеристики мають свої переваги, і в кожному практичному випадку доводиться вибирати найбільш підходящі. Ми почнемо вивчення ланцюгів змінного струму з часових залежностей, а потім перейдемо до частотним характеристикам.
Які ж властивості схем, до складу яких входять конденсатори? Для того щоб відповісти наетот питання, розглянемо найпростішу RC-ланцюг(Рис. 1.10).
Скористаємося отриманим раніше виразом для ємності:
Цей вислів є диференціальне рівняння, рішення якого має вигляд
(12)
Звідси випливає, що якщо заряджений конденсатор підключити до резистору, то він буде розряджатися так, як показано на рис. 1.11.
Постійна часу
Твір RC називають постійної часуланцюга. якщо Rвимірювати в Омасі, а С - у Фарада, то твір RCбудет вимірюватися в секундах. Для конденсатора ємністю 1 мкФ, підключеного до резистору опором 1 кОм, постійна часу складає 1 мс; якщо конденсатор був попередньо заряджений і напруга на ньому становить 1 В, то при підключенні резистора в ланцюзі з'явиться струм, рівний 1 мА. На рис. 1.12 показана дещо інша схема.
Мал. 1.12. Мал. 1.13.
У момент часу t \u003d 0 схема підключається до батареї. Рівняння, що описує роботу такої схеми, виглядає наступним чином:
і має рішення
(14)
Не лякайтеся, якщо не зрозуміли, як виконано математичне перетворення. Важливо запам'ятати отриманий результат. Надалі ми будемо багато разів його використовувати, не вдаючись до математичних викладок. Постійна величина Авизначається з початкових умов (рис. 1.13): U \u003d 0 при t \u003d 0,звідки А \u003d -U вхі U \u003d U вх (1 - e - t / RC).
встановлення рівноваги
За умови t \u003e\u003e RC напруга U досягає значення U вх.(Радимо запам'ятати хороше практичне правило, зване правилом п'яти RC. У ньому йдеться: за час, що дорівнює п'яти постійним часу, конденсатор заряджається чи розряджається на 99%). Якщо потім змінити вхідну напругу U вх (Зробити його рівним, наприклад, нулю), то напруга на конденсаторі Uбудет спадати , прагнучи до нового значенням за експоненціальним законом e - t / RC.
диференціюючі ланцюга
Розглянемо схему, зображену на рис. 1.14. Напруга на конденсаторі Зодно U вх -U,тому
Якщо резистор і конденсатор вибрати так, щоб опір R і ємність Збули досить малими і виконувалася умова dU / dt <
Таким чином, ми отримали, що вихідна напруга пропорційно швидкості зміни вхідного сигналу.
Для того щоб виконувалася умова dU / dt<
Диференціюючі ланцюга зручно використовувати для виділення передньогоі заднього фронтівімпульсних сигналів, і в цифрових схемах можна іноді зустріти ланцюга, подібні до тієї, яка показана на рис. 1.16.
Дифференцирующая RC-ланцюг генерує імпульси у вигляді коротких піків в моменти перемикання вхідного сигналу, а вихідний буферний підсилювач перетворює ці імпульси в короткі прямокутні імпульси. У реальних схемах негативний пік буває невеликим завдяки вбудованому в буфер диоду.
Іноді схема несподівано починає проявляти диференційні властивості, причому в ситуаціях, де вони абсолютно небажані. При цьому можна спостерігати сигнали, подібні показаним на рис. 1.17. Перший сигнал (а точніше, імпульсна перешкода) може виникнути при наявності ємнісний зв'язку між розглянутої лінією і схемою, в якій присутній прямокутний сигнал; причиною появи подібної перешкоди може служити відсутність кінцевого резистора в лінії.
Якщо ж резистор є, то слід або зменшити опір джерела сигналів для лінії, або знайти спосіб ослаблення ємнісний зв'язку з джерелом сигналів прямокутної форми. Сигнал другого типу можна спостерігати в ланцюзі, по якій повинен проходити сигнал прямокутної форми, при наявності дефекту в контакті з цим ланцюгом, наприклад в щупі осцилографа. Невелика ємність, що виникає при поганому контакті, і вхідний опір осцилографа утворюють диференціюються ланцюг. Якщо ви виявили, що ваша схема «щось» диференціює, то сказане може допомогти вам знайти причину несправності й усунути її.
інтегрують ланцюга
Розглянемо схему, зображену на рис. 1.18. Напруга на резисторі Rодно U вх - U,отже, I \u003d С (dU / dt) \u003d (U вх - U) / R. Якщо забезпечити виконання умови U<за рахунок великого значення твору RC , то отримаємо С (dU / dt) ~ U вх / R або
(17)
Ми отримали, що схема інтегрує вхідний сигнал за часом! Розглянемо, яким чином ця схема забезпечує апроксимацію інтегрування в разі вхідного сигналу прямокутної форми: U (T)є знайомий нам уже графік експоненціальної залежності, що визначає заряд конденсатора (рис. 1.19).
Перша ділянка експоненти (інтеграл від майже постійної величини) - пряма з постійним кутом нахилу; при збільшенні постійної часу RC використовується все менший початковий ділянку експоненти, тим самим забезпечується найкраща апроксимація ідеального пилообразного сигналу.
Відзначимо, що умова U< рівнозначно тому, що струм пропорційний напрузі U вх.Якби в якості вхідного сигналу виступав ток I (t), а не напруга, то ми отримали б ідеальний інтегратор. Джерело струму може служити резистор з більшим опором і з великим падінням напруги на ньому, і на практиці часто користуються наближенням.
Надалі, ви дізнаєтеся, як побудувати інтегратор, не вдаючись до умови U вих<. Такий інтегратор працює в широкому діапазоні частот і напруг з пренебрежимо малою помилкою.
Інтегрують ланцюга знаходять широке застосування в аналоговій техніці. Їх використовують в керуючих системах, схемах зі зворотним зв'язком, при аналого-цифровому перетворенні і генерації коливань.
Генератори пилкоподібної сигналу
Тепер дуже легко розібратися в тому, як працює генератор пилоподібного сигналу. Ця схема добре зарекомендувала себе і знайшла дуже широке застосування: її використовують у времязадающих схемах, в генераторах синусоїдальних і інших типів коливань, в схемах розгортки осцилографів, в аналого-цифрових перетворювачів. Вона показана на рис. 1.20.
Рис 1.20. Мал. 1.21.
З рівняння для струму, що протікає через конденсатор, I \u003d C (dU / dt)отримаємо U (t) \u003d (I / C) t . Вихідний сигнал зображений на рис. 1.21. Лінійне зростання сигналу припиняється тоді, коли «вичерпується» напруга джерела струму, т. Е. Досягається його граничне значення. Крива для простої RC-ланцюга з резистором, підключеним до джерела напруги, веде себе аналогічно нагоди досягнення межі джерелом струму. На рис. 1.21 ця друга крива показана для випадку, коли R вибрано так, щоб струм при нульовому вихідному напрузі дорівнював струму джерела струму; при цьому друга крива прагне до того ж межі, що й ламана. (В реальних джерелах струму вихідна напруга обмежена напругою використовуваних в них джерел живлення, так що така поведінка цілком правдоподібно.) У наступному розділі, присвяченій транзисторів, ми побудуємо прості схеми джерел струму, а в главах, де розглядаються операційні підсилювачі і польові транзистори, - їх вдосконалені типи.
§ 1.6.Індуктівності і трансформатори
індуктивності
Якщо ви зрозуміли, що таке конденсатор, то ви зрозумієте і що таке індуктивність (рис. 1.22).
Порівняємо індуктивність і конденсатор між собою; в індуктивності швидкість зміни струму залежить від прикладеної напруги, а в конденсаторі швидкість зміни напруги залежить від струму, що протікає. Рівняння індуктивності має наступний вигляд:
(18)
де L - індуктивністьв генрі (або мГн, мкГн і т.д.). Напруга, прикладена до індуктивності, викликає наростання протікає через неї струму, причому зміна струму відбувається за лінійним законом і пропустити струм через конденсатор, то це призведе до наростання Напруження на ньому, причому зміна напруги буде відбуватися за лінійним законом); напруга величиною 1В, прикладена індуктивності 1Гн, призводить до наростання струму через індуктивність зі швидкістю 1А в 1с.
Умовно індуктивність зображують у вигляді декількох витків дроту - таку конструкцію має найпростіша індуктивність. Інші, більш досконалі конструкції включають сердечник, на який намотується дріт. Матеріалом для сердечника найчастіше служить залізо (пластинки, прокатані із сплавів заліза або виготовлені методами порошкової металургії) або ферит, що представляє собою крихкий непровідний магнітний матеріал чорного кольору. Сердечник дозволяє збільшити індуктивність котушки за рахунок магнітних властивостей матеріалу сердечника. Сердечник може бути виготовлений у вигляді бруска, тора або може мати якусь більш химерну форму, наприклад «горщика» (описати його словами не так-то просто: уявіть собі форму для випічки пончиків, яка рознімати навпіл).
Індуктивності знаходять найбільше застосування в радіочастотних схемах, де вони використовуються в якості радіочастотних дроселів, і в резонансних схемах. Пара пов'язаних индуктивностей утворює такий цікавий елемент, як трансформатор.
По суті справи індуктивність - це протилежність конденсатора.