Принцип устройства простейшего (плоского) конденсатора представлен на рис. 1.
Рис. 1. Принцип устройства плоского конденсатора.
1 обкладки,
2 диэлектрик
Емкость такого конденсатора определяется известной формулой
Определяется формулой
Если использовать обкладки из фольги и многослойный пленочный диэлектрик, то можно изготовить конденсаторы рулонного типа, у которых удельная аккумулирующая способность находится приблизительно в пределах от 0,1 J/kg до 1 J/kg или от 0,03 mWh/kg до 0,3 mWh/kg. Из-за малой удельной аккумулирующей способности конденсаторы такого вида не подходят для длительного сохранения существенного количества энергии, но они широко применяются как источники реактивной мощности в цепях переменного тока и как емкостные сопротивления.
Небольшие конденсаторы, например, в бытовой электронике, имеют проводные клеммы. Конденсатор представляет собой элемент в электрической цепи, который хранит заряд в течение короткого периода времени. Также называемые конденсаторами, эти устройства содержат два или более проводников, разделенных изоляционным материалом, называемым диалектным. Конденсатор в вашем холодильнике может быть прямоугольным, с двумя или несколькими металлическими проводниками, выступающими с одной стороны или цилиндрическими, с проводниками сверху.
Конденсатор холодильника отвечает за запуск двигателя на компрессорной системе, часть холодильника, который подает охлаждающую жидкость через катушки. Когда внутренняя часть холодильника начнет прогреваться, конденсатор разряжается, запустив двигатель компрессора. Компрессор подает хладагент в конденсатор для охлаждения, затем в испаритель, где он отводит тепло от внутренней части холодильника. Теплой хладагент, чем возвращается в конденсатор.
Значительно более эффективно энергия может аккумулироваться в электролитических конденсаторах , принцип устройства которых изображен на рис. 2.
Рис. 2. .
1 металлический лист или фольга (алюминий, тантал или др.),
2 диэлектрик из окиси металла (Al2O3 , Ta2O5 или др.),
3 бумага и т. п., пропитанная электролитом (H3BO3 , H2SO4 , MnO2 или др.) и глицерином
Если вы считаете, что ваш конденсатор холодильника не прошел, вы можете проверить его с помощью изолированной отвертки. Для конденсаторов с голыми металлическими клеммами одновременно удерживайте металлический конец отвертки изолированной рукояткой на обоих клеммах, создавая короткое замыкание. Если у вашего конденсатора есть зажимы с покрытием, вам нужно будет коротко разжать конденсатор с помощью изоляционных плоскогубцев. Используйте омметр для проверки клемм конденсатора по одному. Игла должна слегка двигаться, а затем вернуться в исходное положение.
Так как толщина слоя диэлектрика в этом случае обычно остается в пределах 0,1 µm, то эти конденсаторы могут изготовляться с очень большой емкостью (до 1 F), но на относительно малое напряжение (обычно на несколько вольт).
Еще большую емкость могут иметь ультраконденсаторы (супер-конденсаторы, ионисторы) , обкладками которых служит двойной электрический слой толщиной в несколько десятых долей нанометра на границе раздела электрода, изготовленного из микропористого графита, и электролита (рис. 3).
Если игла не двигается вообще или остается в положении, вам может потребоваться заменить ваш конденсатор. Поскольку конденсаторы хранят большое количество электроэнергии, они могут разряжаться внезапно, если они вступают в контакт с металлическим предметом или кожей человека. Маленькие конденсаторы создают только болезненный шок, но большие конденсаторы, например, обнаруженные в холодильниках, могут повредить или убить человека. Убедитесь, что вы полностью разряжаете эту деталь, прежде чем выполнять какие-либо работы на холодильнике, использующем конденсатор.
Рис. 3. .
1 электроды из микропористого графита,
2 электролит
Эффективная площадь обкладок таких конденсаторов достигает, благодаря пористости, до 10 000 m2 на каждый грамм массы электродов, что позволяет достигать очень большой емкости при очень малых размерах конденсатора. В настоящее время ультраконденсаторы выпускаются на напряжение до 2,7 V и емкостью до 3 kF. Их удельная аккумулирующая способность находится обычно в пределах от 0,5 Wh/kg до 50 Wh/kg и имеются опытные образцы с удельной аккумулирующей способностью до 300 Wh/kg.
Прикоснитесь к одной отвертке к каждой клемме конденсатора, но не прикасайтесь к самому конденсатору во время этого процесса, так как он может стать горячим. Так что давайте поговорим о схемах конденсаторов. Хорошо, что такое конденсаторная схема? Ну, это схема, состоящая из батареи и множества конденсаторов. Помните, что цель, задача конденсатора - так что ток течет в конденсатор, и он не может перескочить. Но что произойдет, этот парень начнет заряжаться положительно, а затем это напугает всех положительных сторон с другой стороны, поэтому мы получим отрицательный результат.
Технология изготовления ультраконденсаторов весьма сложна, и стоимость на единицу сохраняемой в них энергии поэтому намного выше, чем у других конденсаторов, доходя до 50 000 ?/kWh. Несмотря на это, благодаря простоте конструкции, малым размерам, надежности, высокому кпд (95 % и более) и долговечности (несколько миллионов циклов заряда-разряда), они стали применяться как в транспортных средствах, так и в промышленных силовых установках взамен электрохимических аккумуляторов и других средств аккумулирования энергии. Особо выгодны они тогда, когда энергия потребляется в виде коротких импульсов (например, для питания стартера двигателей внутреннего сгорания) или когда требуется быстрая (секундная) зарядка аккумулирующего устройства. Например, в 2005 году в Шанхае началась опытная эксплуатация ультраконденсаторных автобусов, батарея конденсаторов которых заряжается во время стоянки автобуса на каждой остановке.
Затем положительные действия будут снижаться и заряжаться здесь и здесь. И тогда это отпугнет позитив, так что мы получим там немного заряда. И тогда у нас есть все негативы на отрицательной стороне батареи и все положительные стороны с положительной стороны. Итак, что произойдет, будет ток, который будет протекать до тех пор, пока разности потенциалов между этими конденсаторами не уравновешивают разность потенциалов между батареей, а затем больше не будет течь ток.
Поэтому в конденсаторной цепи ток течет до полного заполнения конденсаторов, они больше не могут есть, поэтому в них не может быть больше тока. Это называется устойчивым, потому что изменений больше нет. Хорошо, кроме такого качественного понимания, разница между контуром конденсатора, с одной стороны, и схемой резистора, с другой. Кроме того, мы решаем все в основном одинаково. Хорошо, давайте продолжим и сделаем это, первое, что очевидно, эти два 4 конденсатора Фарада соединены последовательно, поэтому мы должны объединить их последовательно.
Старейшим конденсатором и заодно старейшим аккумулятором электрической энергии могут считаться янтарные предметы, электризацию которых при трении шерстяной тканью обнаружил греческий философ Фалес приблизительно в 590 году д. р. Х. Он же назвал это явление электронным (от греческого слова электрон, ‘янтарь’). Первые электростатические генераторы, изобретенные в 17-ом веке, тоже представляли собой шаровые или цилиндрические конденсаторы, на поверхности которых мог накапливаться электрический заряд, достаточный для вызывания разрядных явлений. Первым настоящим конденсатором считается все же усилительная склянка, изобретенная 11 октября 1745 года в ходе опытов по электризации воды физиком-любителем, деканом Камминского (Cammin) кафедрального собора Эвальдом Юргеном фон Клейстом (Ewald Jurgen von Kleist, 1700–1748) (рис. 4);
Помните, что последовательные конденсаторы добавляют обратно, теперь это особенно удобно, когда в этом случае это одно и то же сопротивление, потому что мы сделаем один четвертый плюс один четвертый, и это даст нам два четвертого. Поэтому, когда мы переворачиваем резервную копию вверх-вниз, она будет равна 4. Это происходит в любое время, когда у вас есть 2 конденсатора, которые имеют одну и ту же емкость, соединенную последовательно.
Эффективная емкость составляет всего половину. Хорошо, поэтому мы напишем схему следующим образом: точно так же это комбинация из двух четырех конденсаторов Фарада, поэтому она дает нам 2 Фарады. Здесь мы получили 8, здесь было 15 и вот здесь наша батарея составляет 10 вольт Хорошо, что хорошо, что 8 и 2 четко соединены параллельно, теперь хорошая вещь о параллельности с конденсаторами заключается в том, что вы просто добавляете. Итак, у нас будет 10 вольт, это 15 Фарадов, и это здесь 10 Фарадов.
Рис. 4. Конденсатор Эвальда Юргена фон Клейста.
1 склянка, наполненная водой,
2 гвоздь, образующий вместе с водой верхнюю обкладку,
3 провод к электростатическому генератору,
4 металлическая тарелка (нижняя обкладка).
U напряжение
У этого прибора можно четко различить две обкладки и диэлектрик между ними. Первый плоский конденсатор изготовил в 1747 году лондонский врач Джон Бэвис (John Bevis, 1693–1771), а сам термин конденсатор (ит. condensatore, ‘сгущать‘) ввел в 1782 году профессор экспериментальной физики университета Павии (Pavia, Италия) Алессандро Вольта (Alessandro Volta, 1745–1827). Первые электролитические конденсаторы разработал в 1853 году заведующий Кенигсбергским физиологическим институтом (Konigsberg, Германия) Герман фон Гельмгольц (Hermann von Helmholtz, 1821–1894), а первый ультраконденсатор с электродами из пористого графита представил на патентование в 1954 году научный сотрудник электротехнического концерна Дженерал Электрик (General Electric, США) Говард Беккер (Howard I. Becker). Практическое применение ультраконденсаторов стало быстро развиваться в первые годы 21-го века.
Еще один простой способ, который мы могли бы сделать, это просто снова и снова 60 за 10 дает «Хорошо», теперь у меня есть 15 все покрыты 60 кулоновскими, 4 вольтами. Ну, они объединились параллельно и помнят, что параллельно разность потенциалов - то же самое? Таким образом, это означает, что разность потенциалов здесь как на 2, так и на 8 должна составлять 6 вольт. Обратите внимание, конечно, что 48 плюс 12 дает нам 60, которые были на 15 Фарадах после того, как мы сломаем эти 2 обратно в 2 силы.
Теперь, как и раньше, у меня есть 4 парня, которые У меня была оригинальная схема, но потом внизу у меня была эффективная емкость 6-го парня Фарада. Хорошо, теперь есть чек, как и резисторные схемы, которые проверяют всю нашу математику только для того, чтобы убедиться, что мы все получим правильно.
Конденса́тор электрический (от лат. сondensator, - тот, кто уплотняет, сгущает), устройство, предназначенное для получения нужных величин электрической емкости и способное накапливать (перераспределять) электрические заряды.
И эта проверка заключается в том, чтобы спросить, сколько энергии хранится всеми нашими парнями правильно? Таким образом, делая это в каждом из этих случаев дает 18 джоулей энергии обеим из четырех фарад-конденсаторов 144 джоулей для 8 Фарада и 120 для. Это то, сколько энергии общее количество хранится в моей конденсаторной цепи после того, как все конденсаторы заполнены. Они больше не могут течь, поэтому это означает, что 300 джоулей должны быть сохранены в моем эффективном конденсаторе в порядке.
Разница потенциалов между эффективным конденсатором - это только 10 вольт, которые у нас были на батарее. Чтобы получить заряд в кулонах, мы делаем разницу потенциалов разности потенциалов. И затем, чтобы определить объем накопленной энергии, нам нужно сделать половину квадрата квадрата, так что половина раз 6 составляет 3 раза 10 квадратов.
Электрический конденсатор состоит из двух (иногда более) подвижных или неподвижных проводящих электродов (обкладок), разделенных диэлектриком. Обкладки должны иметь такую геометрическую форму и быть так расположены друг относительно друга, чтобы созданное ими электрическое поле было сосредоточено в пространстве между ними. Как правило, расстояние между обкладками, равное толщине диэлектрика, мало по сравнению с линейными размерами обкладок. Поэтому электрическое поле, возникающее при подключении обкладок к источнику с напряжением U , практически полностью сосредоточено между обкладками. При этом частичные собственные емкости электрических обкладок пренебрежимо малы.
Поскольку эти два числа согласуются, это означает, что мы почти ничего не совершали. Растущее значение электроники в современных автомобилях - это устоявшаяся тенденция. Поскольку на борту больше электронных компонентов, надежность каждого из устройств определяет надежность важных подсистем и сильно влияет на общий опыт владельца транспортного средства. На надежность компонента влияют условия окружающей среды, среди которых не только электрические напряжения и высокие рабочие температуры, но и термические циклы, низкие температуры, высокая влажность, дождь, лед, снег и неблагоприятные химические вещества, такие как дорожная соль, масло, топливо и гидравлические жидкости.
Таким образом, конденсатором называют систему, состоящую, как правило, из двух разноименно заряженных проводников, при этом заряд, который надо перенести с одного проводника на другой, чтобы зарядить один из них отрицательно, а другой положительно, называется зарядом конденсатора. Разность потенциалов U между обкладками конденсатора прямо пропорциональна величине заряда Q , находящегося на каждой из них:
Могут также быть большие механические усилия, такие как вибрация, которые могут поставить под угрозу разъемы и внутренние соединения. Ожидается, что установленная электроника будет сопротивляться всем этим усилиям и надежно работать в течение срока эксплуатации транспортного средства, что обычно составляет несколько лет.
Хорошо известно, что автомобильная обстановка особенно тяжелая. Могут присутствовать большие электрические переходные процессы, что связано с переключением большого количества электрических зарядов, включая высокоиндуктивные нагрузки, такие как электродвигатели. Эти факторы оказывают значительное влияние на выбор конденсаторов, которые очень часто используются в датчиках и электронных блоках управления на всем протяжении транспортного средства, также под капотом, для таких функций, как фильтрация, развязка, устранение переходных процессов напряжения и хранение энергия.
С - коэффициент, характеризующий конденсатор, называется электрической емкостью конденсатора или емкостью.
Численно емкость электрического конденсатора С равна величине заряда Q одной из обкладок при напряжении, равном 1 вольт:
С = Q/U .
В СИ единицей емкости является фарад - 1 Ф. Емкостью, равной одному фараду, обладает такой конденсатор, между пластинами которого возникает разность потенциалов, равная одному вольту, при заряде на каждой из пластин, равном одному кулону.
Многослойные керамические конденсаторы являются экономичным и хорошо известным вариантом для этих схем. Оконечные устройства могут иметь общий металл, такой как медь или драгоценный металл. Воздействие высоких температур и электрических напряжений, превышающих номинальные пределы устройства, может повлиять на надежность диэлектрического материала. Это ухудшение из-за электрического напряжения можно предсказать, взяв за основу модель обратной мощности. Согласно этой модели срок службы диэлектрика уменьшается по мере увеличения электрического поля из-за сил, оказываемых полем на заряженные атомы.
Параметры, конструкция и область применения конденсаторов определяются диэлектриком , разделяющим его обкладки, поэтому основная классификация электрических конденсаторов проводится по типу диэлектрика. В зависимости от типа используемого диэлектрика конденсаторы могут быть воздушные, бумажные, слюдяные, керамические, электролитические и др.
С другой стороны, деградация, вызванная чрезмерной температурой, соответствует закону Аррениуса. Это описывает экспоненциальную тенденцию, контролируемую приложенной температурой и энергией активации, которая является свойством материала. Когда устройства используются в пределах своих номинальных пределов, дизайнеры могут полагаться на предсказания эксплуатационной жизни производителей, которые основаны на результатах экологических испытаний, а также на расчетах надежности.
Диэлектрики для устойчивости в емкости. Обращайте внимание на то, чтобы выбранный конденсатор обеспечивал требуемую мощность при ожидаемой рабочей температуре. В зависимости от типа диэлектрика, емкость может быть уменьшена при высоких температурах, которая генерирует изменения в частотном отклике, которые приводят к непредсказуемым характеристикам для настроенной схемы, такой как фильтр.
По емкости различают конденсаторы постоянной емкости и конденсаторы переменной емкости. Конденсаторы переменной емкости и полупеременные изготовляются с механически и электрически управляемой емкостью. Изменение емкости в электрическом конденсаторе с механическим управлением достигается чаще всего изменением площади его обкладок или (реже) изменением зазора между обкладками. Простейший воздушный конденсатор переменной емкости состоит из двух изолированных систем металлических пластин, которые входят друг в друга при вращении рукоятки: одна группа (ротор) может перемещаться так, что ее пластины заходят в зазоры между пластинами другой группы (статора). Вдвигая и выдвигая одну систему пластин в другую можно изменить емкость конденсатора. Электрические конденсаторы переменной емкости с твердым диэлектриком (керамические, слюдяные, стеклянные, пленочные) в основном используются как полупеременные (подстрочные) с относительно небольшим изменением емкости. В настоящее время широко используются управляемые конденсаторы переменной емкости - варикапы и вариконды .
Предлагая такую высокую стабильность, эти устройства оптимальны для приложений в схемах настройки, применениях с высоким током или электрическим импульсом, а также в схемах, в которых потери очень важны, а также для развязки, моста, фильтрации, подавления переходных процессов напряжения, блокировки и хранения энергии. Это делает их часто используемыми в самых разных областях применения, таких как блоки управления с ограниченным пространством в автомобиле. В приложениях, требующих большей устойчивости к температуре, буферная схема может использоваться для стабилизации поведения системы.
Емкость электрического конденсатора зависит от диэлектрический проницаемости диэлектрика, заполняющего конденсатор, и от формы и размеров его обкладок. По форме обкладок различают плоские, цилиндрические, сферические конденсаторы.
Плоский конденсатор представляет собой две плоские пластины, расстояние между которыми d мало по сравнению с их линейными размерами. Это позволяет пренебречь малыми областями неоднородности электрического поля у краев пластин и считать, что все поле однородно и сосредоточено между пластинами. Заряд конденсатора Q - это заряд положительно заряженной пластины.
Емкость плоского конденсатора С :
С= ee о S/d
S - площадь каждой обкладки или меньшей из них, d - расстояние между обкладками, e о - электрическая постоянная, e - относительная диэлектрическая проницаемость вещества, находящегося между обкладками. Заполнение пространства между пластинами диэлектриком увеличивает емкость в e раз.
Энергия, запасенная заряженным до постоянного напряжения U плоским электрическим конденсатором, равна:
W = CU 2 /2 .
Наряду с плоским конденсатором часто используется плоский многопластинчатый конденсатор, содержащий n обкладок, соединенных параллельно.
Емкость цилиндрического конденсатора, обкладки которого представляют собой два коаксиальных полых цилиндра, вставленные друг в друга, и разделенных диэлектриком, равна:
С = 2pee o h¤ln(r 2 /r 1) ,
где r 2 и r 1 - радиусы внешнего и внутреннего цилиндров, соответственно, а h - длина цилиндра. При этом не учитываются искажения однородности электрического поля у краев обкладок (краевой эффект), и потому эти расчеты дают несколько заниженные значения емкости C .
Емкость сферического конденсатора, представляющего собой вставленную одна в другую сферы, равна:
С = 4pee o r 2 r 1 /(r 2 -r 1),
где r 2 и r 1 - радиусы внешней и внутренней сфер, соответственно.
Кроме емкости, электрический конденсатор обладает активным сопротивлением R и индуктивностью L . Как правило, электрические конденсаторы используют на частотах, значительно меньших резонансной, на которых его индуктивностью обычно пренебрегают. Активное сопротивление конденсатора зависит от удельного сопротивления диэлектрика, материала обкладок и выводов, формы и размера конденсатора, частоты и температуры. Зависимость реактивного сопротивления электрических конденсаторов от частоты используется в электрических фильтрах.
При подключении обкладок к источнику постоянного напряжения, конденсатор заряжается до напряжения источника. Ток, продолжающий течь через конденсатор после его зарядки, называется током утечки.
Конденсаторы характеризуются пробивным напряжением - разностью потенциалов между обкладками конденсатора, при котором происходит пробой - возникает электрический разряд через слой диэлектрика в конденсаторе. Пробивное напряжение зависит от формы обкладок, свойств диэлектрика и его толщины.
Пластины конденсатора притягиваются друг к другу. Сила притяжения между пластинами конденсатора называется пондемоторной силой и рассчитывается по формуле:
F =-Q 2 /2ee o S
Знак минус указывает, что пондемоторная сила является силой притяжения.
По применению различают электрические конденсаторы низкого напряжения низкой частоты (большая удельная емкость С ), низкого напряжения высокой частоты (высокая С ), высокого напряжения постоянного тока, высокого напряжения низкой и высокой частоты (высокая удельная реактивная мощность).
Для увеличения емкости и варьирования ее возможных значений конденсаторы соединяют в батареи, при этом используется их последовательное, параллельное или смешанное (состоящее из последовательного и параллельного) соединения.
Увеличение емкости достигается параллельным соединением конденсаторов в батарею. При этом конденсаторы соединяются одноименно заряженными обкладками. При таком соединении сохраняющейся величиной на всех конденсаторах является разность потенциалов, а заряды суммируются. Общая емкость батареи при параллельном соединении конденсаторов равна сумме емкостей отдельных конденсаторов:
С = С 1 + С 2 + …+ С n
При последовательном соединении конденсаторов результирующая емкость всегда меньше наименьшей емкости, используемой в батарее, и на каждый конденсатор приходится лишь часть разности потенциалов клемм батарей, что значительно снижает возможность пробоя конденсатора. При последовательном соединений конденсаторов соединяются их разноименные обкладки. При этом складываются величины, обратные емкостям и результирующая емкость определяется следующим образом:
1/С = (1/С n) .
Электрические конденсаторы применяются в электрических цепях (сосредоточенные емкости), электроэнергетике (компенсаторы реактивной мощности), импульсных генераторах напряжения, в измерительных целях (измерительные конденсаторы и емкостные датчики).
