У всіх радіотехнічних та електронних пристроях крім транзисторів і мікросхем застосовуються конденсатори. В одних схемах їх більше, в інших менше, але зовсім без конденсаторів не буває практично жодної електронної схеми.
При цьому конденсатори можуть виконувати в пристроях найрізноманітніші завдання. Перш за все, це ємності в фільтрах випрямлячів і стабілізаторів. За допомогою конденсаторів передається сигнал між підсилювальними каскадами, будуються фільтри низьких і високих частот, задаються тимчасові інтервали в витягах часу і підбирається частота коливань в різних генераторах.
Свій родовід конденсатори ведуть від лейденськоїбанки , Яку в середині XVIII століття в своїх дослідах використовував голландський вчений Пітер ван Мушенбрук. Жив він у місті Лейдені, так що неважко здогадатися, чому так називалася ця банку.
Власне це і була звичайна скляна банка, викладена всередині і зовні олов'яної фольгою - станіолем. Використовувалася вона в тих же цілях, як і сучасна алюмінієва, але тоді алюміній відкритий ще не був.
Єдиним джерелом електрики в ті часи була електрофорна машина, здатна розвивати напругу до декількох сотень кіловольт. Ось від неї і заряджали лейденську банку. У підручниках фізики описаний випадок, коли Мушенбрук розрядив свою банку через ланцюг з десяти гвардійців взялися за руки.
У той час ніхто не знав, що наслідки можуть бути трагічними. Удар вийшов досить чутливим, але не смертельним. До цього не дійшло, адже ємність лейденськоїбанки була незначною, імпульс вийшов дуже короткочасним, тому потужність розряду була невелика.
Як влаштований конденсатор
Пристрій конденсатора практично нічим не відрізняється від лейденської банки: все ті ж дві обкладки, розділені діелектриком. Саме так на сучасних електричних схемах зображуються конденсатори. На малюнку 1 показано схематичне пристрій плоского конденсатора і формула для його розрахунку.
Малюнок 1. Пристрій плоского конденсатора
Тут S - площа пластин в квадратних метрах, d - відстань між пластинами в метрах, C - ємність у Фарада, ε - діелектрична проникність середовища. Всі величини, що входять в формулу, вказані в системі СІ. Ця формула справедлива для найпростішого плоского конденсатора: можна просто розташувати поруч дві металеві пластини, від яких зроблені висновки. Діелектриком може бути повітря.
З цієї формули можна зрозуміти, що ємність конденсатора тим більше, чим більше площа пластин і чим менше відстань між ними. Для конденсаторів з іншою геометрією формула може бути іншою, наприклад, для ємності одиночного провідника або електричного кабелю . Але залежність ємності від площі пластин і відстані між ними та ж, що і у плоского конденсатора: чим більше площа і чим менше відстань, тим більше ємність.
Насправді пластини не завжди робляться плоскими. У багатьох конденсаторів, наприклад металопаперові, обкладки являють собою алюмінієву фольгу згорнуту разом з паперовим діелектриком в щільний клубок, за формою металевого корпусу.
Для збільшення електричної міцності тонка конденсаторний папір просочується ізолюючими складами, найчастіше трансформаторним маслом. Така конструкція дозволяє робити конденсатори з ємністю до декількох сотень микрофарад. Приблизно так само влаштовані конденсатори і з іншими діелектриками.
Формула не містить ніяких обмежень на площу пластин S і відстань між пластинами d. Якщо припустити, що пластини можна розвести дуже далеко, і при цьому площа пластин зробити зовсім незначною, то якась ємність, нехай невелика, все одно залишиться. Подібне міркування говорить про те, що навіть просто два провідника, розташовані по сусідству, володіють електричної ємністю.
Цією обставиною широко користуються в високочастотної техніки: в деяких випадках конденсатори робляться просто у вигляді доріжок друкованого монтажу, а то і просто двох скручених разом дротів в поліетиленовій ізоляції. Звичайний дріт-локшина або кабель також володіють ємністю, причому зі збільшенням довжини вона збільшується.
Крім ємності C, будь-який кабель має ще й опором R. Обидва цих фізичних властивості розподілені по довжині кабелю, і при передачі імпульсних сигналів працюють як інтегруюча RC - ланцюжок, показана на малюнку 2.
Малюнок 2.
На малюнку все просто: ось схема, ось вхідний сигнал, а ось він же на виході. Імпульс спотворюється до невпізнання, але це зроблено спеціально, для чого і зібрана схема. Поки ж мова йде про вплив ємності кабелю на імпульсний сигнал. Замість імпульсу на іншому кінці кабелю з'явиться ось такий «дзвін», а якщо імпульс короткий, то він може і зовсім не дійти до іншого кінця кабелю, зовсім пропасти.
історичний факт
Тут цілком доречно згадати історію про те, як прокладали трансатлантичний кабель. Перша спроба в 1857 році зазнала невдачі: телеграфні точки - тире (прямокутні імпульси) спотворювалися так, що на іншому кінці лінії довжиною 4000 км розібрати нічого не вдалося.
Друга спроба була зроблена в 1865 році. До цього часу англійський фізик У. Томпсон розробив теорію передачі даних по довгих лініях. У світлі цієї теорії прокладка кабелю виявилася більш вдалою, сигнали прийняти вдалося.
За цей науковий подвиг королева Вікторія надала вченого лицарством і титулом лорда Кельвіна. Саме так називався невелике місто на узбережжі Ірландії, де починалася прокладка кабелю. Але це просто до слова, а тепер повернемося до останньої букви у формулі, а саме, до діелектричної проникності середовища ε.
Трошки про діелектриках
Ця ε варто в знаменнику формули, отже, її збільшення спричинить за собою зростання ємності. Для більшості використовуваних діелектриків, таких як повітря, лавсан, поліетилен, фторопласт ця константа практично така ж, як у вакууму. Але разом з тим існує багато речовин, діелектрична проникність яких набагато вище. Якщо повітряний конденсатор залити ацетоном або спиртом, то його ємність зросте раз в 15 ... 20.
Але подібні речовини мають крім високої ε ще і досить високу провідність, тому такий конденсатор заряд тримати буде погано, він швидко розрядиться сам через себе. Це шкідливе явище називається струмом витоку. Тому для діелектриків розробляються спеціальні матеріали, які дозволяють при високій питомій ємності конденсаторів забезпечувати прийнятні струми витоку. Саме цим і пояснюється така різноманітність видів і типів конденсаторів, кожен з яких призначений для конкретних умов.
електролітичний конденсатор
Найбільшою питомою ємністю (співвідношення ємність / обсяг) мають електролітичні конденсатори . Ємність «електролітів» досягає до 100 000 мкФ, робоча напруга до 600В. Такі конденсатори працюють добре лише на низьких частотах, найчастіше в фільтрах джерел живлення. Електролітичні конденсатори включаються з дотриманням полярності.
Електродами в таких конденсаторах є тонка плівка з оксиду металів, тому часто ці конденсатори називають оксидними. Тонкий шар повітря між такими електродами не надто надійний ізолятор, тому між оксидними обкладинками вводиться шар електроліту. Найчастіше це концентровані розчини кислот або лугів.
На малюнку 3 показаний один з таких конденсаторів.
Малюнок 3 Електролітичний конденсатор
Щоб оцінити розміри конденсатора поруч з ним сфотографувався простий сірникову коробку. Крім досить великої ємності на малюнку можна розгледіти ще й допуск в процентах: ні багато ні мало 70% від номінальної.
В ті часи, коли комп'ютери були великими і називалися ЕОМ, такі конденсатори стояли в дисководах (по-сучасному HDD). Інформаційна ємність таких накопичувачів тепер може викликати лише посмішку: на двох дисках діаметром 350 мм зберігалося 5 мегабайт інформації, а сам пристрій важило 54 кг.
Основним призначенням показаних на малюнку суперконденсаторів був висновок магнітних головок з робочої зони диска при раптовому відключенні електроенергії. Такі конденсатори могли зберігати заряд кілька років, що було перевірено на практиці.
Трохи нижче з електролітичними конденсаторами буде запропоновано виконати кілька простих дослідів, щоб зрозуміти, що може робити конденсатор.
Для роботи в ланцюгах змінного струму випускаються неполярні електролітичні конденсатори, ось тільки дістати їх чомусь дуже непросто. Щоб якось цю проблему обійти, звичайні полярні «електроліти» включають зустрічно-послідовно: плюс-мінус-мінус-плюс.
Якщо полярний електролітичний конденсатор включити в ланцюг змінного струму, то спочатку він буде грітися, а потім пролунає вибух. Вітчизняні старі конденсатори розліталися на всі боки, імпортні ж мають спеціальне пристосування, що дозволяє уникнути гучних пострілів. Це, як правило, або хрестова насічка на денці конденсатора, або отвір з гумовою пробкою, розташоване в ній же.
Дуже не люблять електролітичні конденсатори підвищеної напруги, навіть якщо полярність дотримана. Тому ніколи не треба ставити «електроліти» в ланцюг, де передбачається напруга близьке до максимального для даного конденсатора.
Іноді в деяких, навіть солідних форумах, початківці задають питання: «На схемі зазначений конденсатор 470μF * 16V, а у мене є 470μF * 50V, чи можна його поставити?». Так, звичайно можна, ось зворотна заміна неприпустима.
Конденсатор може накопичувати енергію
Розібратися з цим твердженням допоможе проста схема, показана на малюнку 4.
Малюнок 4. Схема з конденсатором
Головною дійовою особою цієї схеми є електролітичний конденсатор C досить великої ємності, щоб процеси заряду - розряду протікали повільно, і навіть дуже наочно. Це дає можливість спостерігати роботу схеми візуально за допомогою звичайної лампочки від кишенькового ліхтаря. Ліхтарі ці давно поступилися місцем сучасним світлодіодним, але лампочки для них продаються досі. Тому, зібрати схему і провести прості досліди дуже навіть просто.
Може бути, хтось скаже: «А навіщо? Адже і так все очевидно, та якщо ще й опис почитати ... ». Заперечити тут, на кшталт, нічого, але будь-яка, навіть найпростіша річ залишається в голові надовго, якщо її розуміння прийшло через руки.
Отже, схема зібрана. Як вона працює?
У положенні перемикача SA, показаному на схемі, конденсатор C заряджається від джерела живлення GB через резистор R по колу: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. Зарядний струм на схемі показаний стрілкою з індексом iз. Процес заряду конденсатора показаний на малюнку 5.
Малюнок 5. Процес заряду конденсатора
На малюнку видно, що напруга на конденсаторі зростає по кривій лінії, в математиці званої експонентою. Струм заряду прямо-таки дзеркально відображає напругу заряду. У міру того, як напруга на конденсаторі зростає, струм заряду стає все менше. І тільки в початковий момент відповідає формулі, показаної на малюнку.
Через деякий час конденсатор заряджатиметься від 0В до напруги джерела живлення, в нашій схемі до 4,5 В. Все питання в тому, як це час визначити, скільки чекати, коли ж конденсатор зарядиться?
Постійна часу «тау» τ = R * C
У цій формулі просто перемножуються опір і ємність послідовно з'єднаних резистора і конденсатора. Якщо, не нехтуючи системою СІ, підставити опір в Омах, ємність в Фарадах, то результат вийде в секундах. Саме цей час необхідно для того, щоб конденсатор зарядився до 36,8% напруги джерела живлення. Відповідно для заряду практично до 100% буде потрібно час 5 * τ.
Часто, нехтуючи системою СІ, підставляють в формулу опір в Омах, а ємність в мікрофарадах, тоді час вийде в мікросекундах. У нашому випадку результат зручніше отримати в секундах, для чого доведеться мікросекунди просто помножити на мільйон, а простіше кажучи, перемістити кому на шість знаків вліво.
Для схеми, показаної на малюнку 4, при ємності конденсатора 2000мкФ і опорі резистора 500Ω постійна часу вийде τ = R * C = 500 * 2000 = 1000000 мікросекунд або рівно одна секунда. Таким чином, доведеться почекати приблизно 5 секунд, поки конденсатор зарядиться повністю.
Якщо після закінчення зазначеного часу перемикач SA перевести в праве положення, то конденсатор C розрядиться через лампочку EL. У цей момент вийде короткий спалах, конденсатор розрядиться і лампочка згасне. Напрямок розряду конденсатора показано стрілкою з індексом iр. Час розряду також визначається постійної часу τ. Графік розряду показаний на малюнку 6.
Малюнок 6. Графік розряду конденсатора
Конденсатор не пропускає постійний струм
Переконатися в цьому твердженні допоможе ще більш проста схема, показана на малюнку 7.
Малюнок 7. Схема з конденсатором в ланцюзі постійного струму
Якщо замкнути перемикач SA, то піде короткочасна спалах лампочки, що свідчить про те, що конденсатор C зарядився через лампочку. Тут же показаний і графік заряду: в момент замикання перемикача струм максимальний, в міру заряду конденсатора зменшується, а через деякий час припиняється зовсім.
Якщо конденсатор хорошої якості, тобто з малим струмом витоку (саморазряда) повторне замикання вимикача до спалаху не приведе. Для отримання ще однієї спалаху конденсатор доведеться розрядити.
Конденсатор в фільтрах харчування
Конденсатор ставиться, як правило, після випрямляча. Найчастіше випрямлячі робляться двухполуперіодним. Найбільш поширені схеми випрямлячів показані на малюнку 8.
Малюнок 8. Схеми випрямлячів
Однополуперіодні випрямлячі також застосовуються досить часто, як правило, в тих випадках, коли потужність навантаження незначна. Найціннішою якістю таких випрямлячів є простота: всього один діод і обмотка трансформатора.
Для двухполуперіодного випрямляча ємність конденсатора фільтра можна розрахувати за формулою
C = 1000000 * Po / 2 * U * f * dU, де C ємність конденсатора мкФ, Po потужність навантаження Вт, U напруга на виході випрямляча В, f частота змінної напруги Гц, dU амплітуда пульсацій В.
Велике число в чисельнику 1000000 переводить ємність конденсатора з системних Фарад в мікрофарад. Двійка в знаменнику являє собою число напівперіодів випрямляча: для однополупериодного на її місці з'явиться одиниця
C = 1000000 * Po / U * f * dU,
а для трифазного випрямляча формула набуде вигляду C = 1000000 * Po / 3 * U * f * dU.
Суперконденсатор - іоністор
Останнім часом з'явився новий клас електролітичних конденсаторів, так званий іоністор . За своїми властивостями він схожий на акумулятор, правда, з кількома обмеженнями.
Заряд іоністори до номінальної напруги відбувається протягом короткого часу, буквально за кілька хвилин, тому його доцільно використовувати в якості резервного джерела живлення. По суті іоністор прилад неполярний, єдине, чим визначається його полярність це зарядкою на заводі - виробнику. Щоб в подальшому цю полярність не переплутати вона вказується знаком +.
Велику роль відіграють умови експлуатації іоністорів. При температурі 70˚C при напрузі 0,8 від номінального гарантована довговічність не більше 500 годин. Якщо ж прилад працюватиме при напрузі 0,6 від номінального, а температура не перевищить 40 градусів, то якість його функціонування можлива протягом 40 000 годин і більше.
Найбільш поширене застосування іоністори це джерела резервного живлення. В основному це мікросхеми пам'яті або електронний годинник. У цьому випадку основним параметром іоністори є малий струм витоку, його саморозряд.
Досить перспективним є використання іоністорів спільно з сонячними батареями. Тут також позначається некритичність до умови заряду і практично необмежену кількість циклів заряд-розряд. Ще одна цінна властивість в тому, що іоністор не потребує обслуговування.
Поки вийшло розповісти, як і де працюють електролітичні конденсатори, причому, в основному в ланцюгах постійного струму. Про роботу конденсаторів в ланцюгах змінного струму буде розказано в іншій статті - Конденсатори для електроустановок змінного струму .
Борис Аладишкін
PS Цікавий варіант використання конденсаторів: конденсаторная зварювання
Іноді в деяких, навіть солідних форумах, початківці задають питання: «На схемі зазначений конденсатор 470μF * 16V, а у мене є 470μF * 50V, чи можна його поставити?Може бути, хтось скаже: «А навіщо?
Як вона працює?
Все питання в тому, як це час визначити, скільки чекати, коли ж конденсатор зарядиться?
