Что такое конденсатор и как он работает? Физика и приложения

Что такое конденсатор и как он работает? – Физика и приложения

В этом уроке мы узнаем, что такое конденсатор, как он работает, и рассмотрим несколько основных примеров его применения. Вы можете посмотреть следующее видео или прочитать письменный учебник ниже.

Обзор

Почти нет схемы без конденсатора, и наряду с резисторами и катушками индуктивности они являются основными пассивными компонентами, которые мы используем в электронике.

Что такое конденсатор?

Конденсатор — это устройство, способное накапливать энергию в виде электрического заряда. По сравнению с батареей того же размера конденсатор может хранить гораздо меньше энергии, примерно в 10 000 раз меньше, но достаточно полезен для очень многих схем.

Конденсаторная конструкция

Конденсатор состоит из двух металлических пластин, разделенных изоляционным материалом, называемым диэлектриком. Пластины являются проводящими и обычно изготавливаются из алюминия, тантала или других металлов, в то время как диэлектрик может быть изготовлен из любого изоляционного материала, такого как бумага, стекло, керамика или что-либо, что препятствует протеканию тока.

Емкость конденсатора, измеряемая в фарадах, прямо пропорциональна площади поверхности двух пластин, а также диэлектрической проницаемости ε диэлектрика, причем чем меньше расстояние между пластинами, тем больше емкость. При этом давайте теперь посмотрим, как работает конденсатор.

Как работает конденсатор

Во-первых, мы можем отметить, что металл обычно имеет равное количество положительно и отрицательно заряженных частиц, что означает, что он электрически нейтрален.

Если мы подключим источник питания или батарею к металлическим пластинам конденсатора, ток попытается протечь, или электроны с пластины, подключенной к положительному выводу батареи, начнут двигаться к пластине, подключенной к отрицательному выводу конденсатора. батарея. Однако из-за диэлектрика между пластинами электроны не смогут пройти через конденсатор, поэтому они начнут накапливаться на пластине.

После того, как определенное количество электроники накопится на пластине, у батареи будет недостаточно энергии, чтобы подтолкнуть любую новую электронику к входу в пластину из-за отталкивания той электроники, которая уже есть.

В этот момент конденсатор фактически полностью заряжен. Первая пластина приобрела суммарный отрицательный заряд, а вторая пластина приобрела равный суммарный положительный заряд, создавая между ними электрическое поле с силой притяжения, которая удерживает заряд конденсатора.

Принцип работы конденсатора диэлектрика

Давайте посмотрим, как диэлектрик может увеличить емкость конденсатора. Диэлектрик содержит полярные молекулы, что означает, что они могут менять свою ориентацию в зависимости от зарядов на двух пластинах. Таким образом, молекулы выравниваются с электрическим полем, позволяя большему количеству электронов притягиваться к отрицательной пластине и отталкивать больше электронов от положительной пластины.

Таким образом, когда он полностью заряжен, если мы вытащим аккумулятор, он будет удерживать электрический заряд в течение длительного времени, выступая в качестве накопителя энергии.

Теперь, если мы закоротим два конца конденсатора через нагрузку, ток начнет течь через нагрузку. Накопленные электроны с первой пластины начнут двигаться ко второй пластине, пока обе пластины снова не станут электрически нейтральными.

Итак, это основной принцип работы конденсатора, а теперь давайте рассмотрим несколько примеров его применения.

Применение конденсаторов

Развязывающие (шунтирующие) конденсаторы

Типичным примером являются развязывающие конденсаторы или обходные конденсаторы. Они часто используются вместе с интегральными схемами и размещаются между источником питания и землей ИС.

Их работа состоит в том, чтобы фильтровать любые помехи в источнике питания, такие как пульсации напряжения, которые возникают, когда источник питания в течение очень короткого периода времени падает, или когда часть цепи переключается, вызывая колебания в источнике питания. В момент падения напряжения конденсатор будет временно действовать как источник питания, минуя основной источник питания.

Преобразователь переменного тока в постоянный

Другим типичным примером применения являются конденсаторы, используемые в адаптерах постоянного тока. Для преобразования переменного напряжения в постоянное обычно используется диодный выпрямитель, но без помощи конденсаторов он не справится.

Выход выпрямителя представляет собой сигнал. Таким образом, пока выходная мощность выпрямителя увеличивается, конденсатор заряжается, а пока выходная мощность выпрямителя снижается, конденсатор разряжается и, таким образом, сглаживает выход постоянного тока.

Фильтрация сигналов

Фильтрация сигналов — еще один пример применения конденсаторов. Благодаря своему особому времени отклика они способны блокировать низкочастотные сигналы, пропуская при этом более высокие частоты.

Это используется в радиоприемниках для отключения нежелательных частот и в схемах кроссовера внутри динамиков для разделения низких частот для низкочастотного динамика и более высоких частот для твитера.

Конденсаторы как накопители энергии

Другое довольно очевидное применение конденсаторов — хранение и подача энергии. Хотя они могут хранить значительно меньше энергии по сравнению с батареями того же размера, срок их службы намного выше, и они способны отдавать энергию намного быстрее, что делает их более подходящими для приложений, где требуется большой импульс мощности.

Это все для этого урока, не стесняйтесь задавать любые вопросы в разделе комментариев ниже.

Конденсаторы

Внимание: Материал на этой странице не является критически важным для понимания новичками в области электроники. и это становится немного сложным ближе к концу. Рекомендуем прочитать Как делают конденсатор раздел, другие, вероятно, можно было бы пропустить, если они вызывают у вас головную боль.

Как делают конденсатор

Схематический символ конденсатора на самом деле очень похож на то, как он сделан. Конденсатор состоит из двух металлических пластин и изоляционного материала, называемого диэлектрик. Металлические пластины расположены очень близко друг к другу, параллельно, но между ними находится диэлектрик, чтобы они не соприкасались.

Диэлектрик может быть изготовлен из любых изоляционных материалов: бумаги, стекла, резины, керамики, пластика или любого другого материала, препятствующего прохождению тока.

Пластины изготовлены из проводящего материала: алюминия, тантала, серебра или других металлов. Каждый из них подключен к терминальному проводу, который в конечном итоге соединяется с остальной частью схемы.

Емкость конденсатора — сколько у него фарад — зависит от того, как он устроен. Для большей емкости требуется больший конденсатор. Пластины с большей площадью перекрытия обеспечивают большую емкость, а большее расстояние между пластинами означает меньшую емкость. Материал диэлектрика даже влияет на то, сколько фарад имеет колпачок. Полную емкость конденсатора можно рассчитать по уравнению:

Где ε_r – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика (постоянное значение, определяемое диэлектрическим материалом), A – площадь, на которой плиты перекрывают друг друга, и d это расстояние между пластинами.

Как работает конденсатор

Электрический ток — это поток электрического заряда, который используют электрические компоненты, чтобы загораться, вращаться или делать что угодно. Когда ток течет в конденсатор, заряды «застревают» на пластинах, потому что они не могут пройти через изолирующий диэлектрик. Электроны — отрицательно заряженные частицы — всасываются в одну из пластин, и она в целом становится отрицательно заряженной. Большая масса отрицательных зарядов на одной пластине отталкивает заряды другой пластины, делая ее положительно заряженной.

Положительные и отрицательные заряды на каждой из этих пластин притягиваются друг к другу, потому что это то, что делают противоположные заряды. Но с диэлектриком, сидящим между ними, как бы они ни хотели соединиться, заряды навсегда застрянут на пластине (пока им некуда будет деться). Постоянные заряды на этих пластинах создают электрическое поле, влияющее на электрическую потенциальную энергию и напряжение. Когда заряды группируются на таком конденсаторе, колпачок накапливает электрическую энергию так же, как батарея может накапливать химическую энергию.

Зарядка и разрядка

Когда положительные и отрицательные заряды сливаются на пластинах конденсатора, конденсатор становится заряженный. Конденсатор может сохранять свое электрическое поле — удерживать свой заряд — потому что положительные и отрицательные заряды на каждой из пластин притягиваются друг к другу, но никогда не достигают друг друга.

В какой-то момент пластины конденсатора будут настолько заряжены, что просто не смогут принять больше. На одной пластине достаточно отрицательных зарядов, чтобы они могли оттолкнуть любые другие, пытающиеся присоединиться. Вот где емкость (фарады) конденсатора вступает в игру, что говорит вам о максимальном количестве заряда, который может хранить крышка.

Если в цепи создается путь, который позволяет зарядам найти другой путь друг к другу, они покинут конденсатор, и он разрядить.

Например, в приведенной ниже схеме батарея может использоваться для создания электрического потенциала на конденсаторе. Это приведет к тому, что на каждой из пластин будут накапливаться одинаковые, но противоположные заряды, пока они не будут настолько заполнены, что будут отражать дальнейшее протекание тока. Светодиод, включенный последовательно с крышкой, может обеспечить путь для тока, а энергия, накопленная в конденсаторе, может использоваться для кратковременного освещения светодиода.

Расчет заряда, напряжения и тока

Емкость конденсатора — сколько у него фарад — говорит вам, сколько заряда он может хранить. Какой заряд у конденсатора в настоящее время хранение зависит от разности потенциалов (напряжения) между его пластинами. Эту взаимосвязь между зарядом, емкостью и напряжением можно смоделировать с помощью следующего уравнения:

Заряд (Q), хранящийся в конденсаторе, является произведением его емкости (C) и приложенного к нему напряжения (V).

Емкость конденсатора всегда должна быть постоянной, известной величиной. Таким образом, мы можем регулировать напряжение, чтобы увеличить или уменьшить заряд крышки. Большее напряжение означает больше заряда, меньше напряжения. меньше заряда.

Это уравнение также дает нам хороший способ определить стоимость одного фарада. Один фарад (Ф) — это способность хранить одну единицу энергии (кулон) на каждый вольт.

Расчет тока

Мы можем развить уравнение заряда/напряжения/емкости еще на шаг вперед, чтобы выяснить, как емкость и напряжение влияют на ток, потому что ток – это скорость потока заряда. Суть отношения конденсатора к напряжению и току такова: количество ток через конденсатор зависит как от емкости, так и от того, насколько быстро напряжение растет или падает. Если напряжение на конденсаторе быстро возрастает, через конденсатор индуцируется большой положительный ток. Более медленный рост напряжения на конденсаторе соответствует меньшему току через него. Если напряжение на конденсаторе постоянно и неизменно, то через него не будет проходить ток.

(Это уродливо и вводит в исчисление. Это не так уж необходимо, пока вы не перейдете к анализу во временной области, разработке фильтров и другим неприятным вещам, поэтому переходите к следующей странице, если вам не нравится это уравнение. ) Уравнение для расчета тока через конденсатор:

Компания dV/dt часть этого уравнения является производной (причудливый способ сказать мгновенная скорость) напряжения с течением времени, это эквивалентно высказыванию «насколько быстро повышается или понижается напряжение в данный момент». Большой вывод из этого уравнения заключается в том, что если напряжение стабильно, производная равна нулю, что означает ток тоже ноль. Вот почему ток не может течь через конденсатор, поддерживающий постоянное постоянное напряжение.

Типы конденсаторов: все, что вам нужно знать

Типы конденсаторов – Конденсаторы бывают разных форм, размеров, длины и обхвата, а также из различных материалов. По крайней мере, два электрических проводника (называемых «пластинами») разделены изолирующим слоем в каждом из них (называемым диэлектриком). Многие типичные электрические устройства используют конденсаторы как часть своих электрических цепей.

Конденсаторы, наряду с резисторами и катушками индуктивности, считаются «пассивными компонентами» в электрооборудовании. Хотя интегральные конденсаторы встречаются чаще всего в абсолютном выражении (например, в DRAM или архитектурах флэш-памяти), в этой статье основное внимание уделяется многим типам дискретных конденсаторов.

Малые конденсаторы применяются в электронных устройствах для связи сигналов между каскадами усилителей, в качестве элементов электрических фильтров и резонансных цепей, для сглаживания выпрямленного тока в системах электроснабжения. Конденсаторы большего размера могут использоваться для накопления энергии в стробоскопах, в качестве компонентов некоторых типов электродвигателей, а также для регулировки коэффициента мощности в системах распределения электроэнергии переменного тока, среди прочего. Регулируемые конденсаторы широко используются в настраиваемых схемах, поскольку стандартные конденсаторы имеют фиксированное значение емкости. В зависимости от необходимой емкости, рабочего напряжения, допустимого тока и других характеристик используются различные типы.

Что такое конденсатор

Конденсатор представляет собой пассивный компонент, хранящий электрическую энергию в виде магнитного поля. Емкость – это термин для эффекта конденсатора. Он состоит из двух близко расположенных проводников, разделенных диэлектрическим веществом. Когда пластины подключены к источнику питания, на пластинах накапливается электрический заряд. Положительный заряд накапливается на одной пластине, а отрицательный – на другой.

Емкость — это термин, используемый для описания действия конденсатора. Хотя между любыми двумя электрическими проводниками в непосредственной близости от цепи существует некоторая емкость, конденсатор — это компонент, специально разработанный для увеличения емкости цепи. Традиционно конденсатор был известен как конденсатор или конденсатор. Многие языки продолжают использовать этот термин и родственные ему термины, хотя английский язык является одним заметным исключением. Практические конденсаторы бывают разных форм и размеров, и используется много разных типов конденсаторов. Диэлектрическая среда разделяет по крайней мере два электрических проводника в большинстве конденсаторов, которые обычно представляют собой металлические пластины или поверхности. В качестве проводников можно использовать фольгу, тонкий лист, спеченный металлический шарик или электролит. Зарядная емкость конденсатора увеличивается за счет непроводящего диэлектрика. Стекло, керамика, пластиковая пленка, бумага, слюда, воздух и оксидные слои — все это распространенные диэлектрические материалы.

Многие типичные электрические устройства используют конденсаторы как часть своих электрических цепей. Идеальный конденсатор, в отличие от резистора, не рассеивает энергию, в отличие от реальных конденсаторов. Когда на клеммах конденсатора возникает разность электрических потенциалов (напряжение), например, когда конденсатор подключен к батарее, электрическое поле начинает развиваться на диэлектрике, создавая суммарный положительный заряд, накапливающийся на одной пластине, и суммарный отрицательный заряд. зарядку собирать с другой. Через диэлектрик ток не течет. Цепь источника, с другой стороны, имеет поток заряда. Ток через цепь источника прекращается, если состояние поддерживается в течение длительного времени. Когда на выводы конденсатора подается изменяющееся во времени напряжение, источник подвергается воздействию постоянного тока из-за циклов зарядки и разрядки конденсатора.

Какие существуют типы приводов?

Типы электрических цепей: вся классификация с приложением

Теория Операции

Конденсатор представляет собой пассивный компонент, хранящий электрическую энергию в виде магнитного поля. Емкость – это термин для эффекта конденсатора. Он состоит из двух близко расположенных проводников, разделенных диэлектрическим веществом. Когда пластины подключены к источнику питания, на пластинах накапливается электрический заряд. Положительный заряд накапливается на одной пластине, а отрицательный – на другой.

Два проводника разделены непроводящей частью в конденсаторе. В качестве непроводящей зоны можно использовать вакуум или электрическое изоляционное вещество, известное как диэлектрик. Примерами диэлектрических сред являются стекло, воздух, пластик, бумага, керамика и даже область обеднения полупроводников, химически подобная проводникам. Согласно закону Кулона, заряд одного проводника воздействует на носители заряда внутри другого проводника, притягивая заряды противоположной полярности и отталкивая заряды одинаковой полярности, что приводит к образованию заряда противоположной полярности на поверхности другого проводника. На своих противоположных поверхностях проводники несут одинаковые и противоположные заряды, а диэлектрик создает электрическое поле.

Идеальный конденсатор характеризуется постоянной емкостью С в фарадах в системе СИ, определяемой как отношение положительного или отрицательного заряда Q на каждом проводнике к напряжению V между ними:

Емкость в один фарад (Ф) означает, что один кулон заряда на каждом проводнике приводит к напряжению в один вольт на устройстве. Противоположные заряды на проводниках (или пластинах) притягиваются друг к другу из-за их электрических полей, позволяя конденсатору сохранять больший заряд при заданном напряжении, чем когда проводники разделены, что приводит к большей емкости.

Накопление заряда в практических устройствах может механически изменить конденсатор, вызывая изменение его емкости. Емкость в этой ситуации характеризуется инкрементальными изменениями:

Типы конденсаторов

Ниже приведены различные типы конденсаторов:

• Электролитический конденсатор
• Бумажный конденсатор
• Конденсатор слюды
• Неполяризованный конденсатор
• Пленочный конденсатор
• Керамический конденсатор

Электролитический конденсатор

Электролитные конденсаторы обычно используются, когда требуются конденсаторы большой емкости. Для одного электрода используется тонкий слой металлической пленки, а для второго электрода (катода) наносится полужидкий раствор электролита в виде желе или пасты. Диэлектрическая пластина представляет собой тонкий слой оксида, полученный электрохимическим путем при производстве, с толщиной пленки менее десяти микрон.

Поскольку этот изолирующий слой очень тонкий, можно создавать конденсаторы с большим значением емкости для крошечных физических размеров и небольшого расстояния между двумя пластинами. Большинство электролитических конденсаторов поляризованы, что означает, что на клемму конденсатора подается постоянное напряжение, и полярность должна быть правильной.

Если плюс соединить с плюсом, а минус с минусом, изолирующий оксидный слой разрушится, что приведет к непоправимому повреждению. Полярность всех поляризованных электролитических конденсаторов четко обозначена отрицательным знаком, указывающим на отрицательную клемму, и полярность необходимо соблюдать.

Электролитические конденсаторы обычно используются в цепях питания постоянного тока из-за их большой емкости и небольшого снижения пульсаций напряжения. Связь и развязка – два приложения для электролитических конденсаторов. Электролитические конденсаторы имеют низкое номинальное напряжение из-за их поляризации, что является их недостатком.

Бумажный конденсатор

Сначала между двумя фольгами конденсатора была проложена бумага, однако в наши дни используются другие материалы, такие как пластик; поэтому его называют бумажным конденсатором. Бумажный конденсатор имеет диапазон емкости от 0.001 до 2.000 мкФ и диапазон напряжения до 2000В.

Конденсатор слюды

В конденсаторах из серебряной слюды используется диэлектрик, состоящий из набора природных минералов. Зажимные конденсаторы и конденсаторы из серебряной слюды — это два типа слюдяных конденсаторов. Из-за плохих характеристик слюдяные конденсаторы с фиксаторами считаются устаревшими. Конденсаторы из серебряной слюды изготавливаются путем склеивания листов слюды с металлическим покрытием с обеих сторон и заливки их эпоксидной смолой для защиты от элементов. Слюдяные конденсаторы, используемые в конструкции, требуют крошечного, стабильного и надежного конденсатора.

Слюдяные конденсаторы — это конденсаторы с малыми потерями, которые используются на высоких частотах. Они химически, электрически и физически стабильны благодаря своей особой кристаллической структуре и слоистой структуре. Наиболее часто используемыми слюдами являются слюда мусковит и флогопит. Электрические качества слюды москвича выше, а другая слюда имеет высокую термостойкость.

Неполяризованные конденсаторы

Неполяризованные конденсаторы из пластиковой фольги и неполяризованные электролитические конденсаторы представляют собой два типа неполяризованных конденсаторов.

Конденсатор из пластиковой фольги по своей природе неполяризован, а электролитические конденсаторы часто представляют собой два конденсатора, включенных последовательно, спина к спине, в результате чего получается неполяризованный конденсатор с половинной емкостью. Применение переменного тока последовательно или параллельно с сигналом или источником питания требуется для неполяризованного конденсатора.

Двумя примерами являются кроссоверные фильтры динамиков и сеть коррекции коэффициента мощности. В этих двух приложениях на конденсатор подается значительный сигнал переменного напряжения.

Пленочный конденсатор

Пленочные конденсаторы представляют собой конденсаторы с тонким пластиковым диэлектриком в качестве диэлектрика. Используя сложный метод вытягивания пленки, пленочный конденсатор делается чрезвычайно тонким. Если пленка изготовлена, ее можно металлизировать в зависимости от свойств конденсатора. Электроды добавляются и собираются для защиты от факторов окружающей среды.

Полиэфирная пленка, полипропиленовая пленка, металлизированная пленка, пленка из ПТЭ и полистирольная пленка — вот лишь некоторые из многочисленных типов доступных пленочных конденсаторов. Материал, используемый в качестве диэлектрика, является основным отличием различных типов конденсаторов, и диэлектрики следует выбирать тщательно, исходя из их качеств. Пленочные конденсаторы используются из-за их стабильности, низкой индуктивности и недорогой стоимости.

Термостойкость пленочной емкости ПТЭ используется в аэрокосмической и военной технике. Конденсаторы из металлизированной полиэфирной пленки используются в ситуациях, когда требуется длительная стабильность по разумной цене.

Керамический конденсатор

Керамические конденсаторы — это конденсаторы, в которых в качестве диэлектрического материала используется керамика. Керамика была одним из первых материалов, используемых в качестве изолятора при производстве конденсаторов.

Керамические конденсаторы бывают различных конструкций, включая керамические трубчатые конденсаторы и конденсаторы с барьерным слоем, которые устарели из-за своего размера, паразитных эффектов или электрических свойств. Многослойные керамические конденсаторы (MLCC) и керамические дисковые конденсаторы являются двумя наиболее распространенными формами керамических конденсаторов.

Технология поверхностного монтажа (SMD) используется для изготовления многослойных керамических конденсаторов, и, поскольку они меньше по размеру, они широко используются. Керамические конденсаторы обычно имеют значения в диапазоне от 1 нФ до 1 Ф, при этом допустимы значения до 100 Ф.

Керамические дисковые конденсаторы формируются путем покрытия керамического диска серебряными контактами с обеих сторон, и эти устройства состоят из многих слоев для достижения более высокой емкости. Из-за паразитных эффектов, таких как сопротивление и индуктивность, керамические конденсаторы будут давать высокочастотные отклики.

Заключение

В этой статье мы обсудили множество типов конденсаторов и их применение. Мы надеемся, что, прочитав эту страницу, вы получили фундаментальное представление о типах конденсаторов. Пожалуйста, не стесняйтесь оставлять комментарии в поле ниже, если у вас есть какие-либо вопросы, касающиеся этой статьи или ее реализации. Кроме того, если вам нужно узнать больше информации о типах конденсаторов, перейдите по этой ссылке.

Здесь, в Linquip, вы можете отправлять запросы всем поставщикам турбин и бесплатно получать предложения.