§ 54. Конденсатор
Как вам известно, вокруг заряженных тел существует электрическое поле, которое обладает энергией.
А можно ли накапливать заряды и энергию электрического поля? Устройством, позволяющим накапливать заряды, является конденсатор (от лат. condensare — сгущение). Простейший плоский конденсатор состоит из двух одинаковых металлических пластин — обкладок, находящихся на небольшом расстоянии друг от друга и разделённых слоем диэлектрика, например воздуха (рис. 83). Толщина диэлектрика в сравнении с размерами обкладок небольшая.
Рис. 83. Простейший конденсатор и его обозначение на схеме
Продемонстрируем на опыте способность конденсатора накапливать заряды. Для этого две металлические пластины подключим к разным полюсам электрофорной машины (рис. 84). Пластины получат одинаковые по модулю, но разные по знаку заряды. Возникнет электрическое поле. Электрическое поле конденсатора практически сосредоточено между пластинами внутри конденсатора.
Рис. 84. Зарядка конденсатора от электро-форной машины
После отключения электрофорной машины заряды на пластинах и электрическое поле между ними сохранятся.
Если обкладки заряженного конденсатора соединить проводником, то по проводнику некоторое время будет проходить ток. Значит, заряженный конденсатор является источником тока.
В зависимости от диэлектрика конденсаторы бывают нескольких типов: с твёрдым, жидким и газообразным диэлектриком. Их различают и по форме обкладок: плоские, цилиндрические, сферические и др. (рис. 85).
Рис. 85. Различные типы конденсаторов
Свойство конденсатора накапливать электрические заряды характеризуется электроёмкостью, или ёмкостью. Для того чтобы понять, от чего зависит эта физическая величина, обратимся к опыту.
Две металлические пластины, укреплённые на изолирующих подставках параллельно друг другу, соединим с электрометром. Одну из пластин соединим со стержнем электрометра, другую заземлим, соединив с корпусом прибора (рис. 86, а). Наэлектризованным шаром коснёмся внешней стороны пластины А, тем самым сообщив ей положительный заряд +q. Под действием электрического поля пластины А в пластине В произойдёт перераспределение зарядов: отрицательные заряды расположатся на внутренней стороне пластины. С земли придут свободные электроны, чтобы нейтрализовать положительные заряды на внешней стороне пластины В. Таким образом, на пластине В возникнет равный по величине отрицательный заряд -q.
Рис. 86. Зависимость ёмкости конденсатора от площади, расстояния между пластинами, диэлектрика между пластинами
Стрелка электрометра отклонится от нулевого положения. С помощью одинаково заряженных шаров продолжим передавать конденсатору заряды последовательно равными порциями. Мы заметим, что при увеличении заряда в 2, 3, 4 раза соответственно в 2, 3, 4 раза увеличатся показания электрометра, т. е. увеличится напряжение между пластинами конденсатора. Причём отношение заряда к напряжению будет оставаться постоянным:
Электроёмкость конденсатора вычисляется по формуле:
За единицу ёмкости в СИ принимается фарад (Ф), название дано в честь английского физика Майкла Фарадея. Электроёмкость конденсатора равна единице, если при сообщении ему заряда 1 Кл возникает напряжение 1В.
1 Ф — это очень большая ёмкость, поэтому на практике используют микрофарад (мкФ) и пикофарад (пФ).
1 мкФ = 10 -6 Ф; 1 пФ = 10 -12 Ф.
Выясним, от чего зависит ёмкость кондесатора. Для этого возьмём конденсатор с пластинами, имеющими большую площадь (рис. 86, б). Повторим опыт. Отношение заряда к напряжению и в этом случае остаётся постоянным
но отношение заряда к напряжению теперь больше, чем в первом опыте, т. е. С1 > С. Чем больше площадь пластин, тем больше ёмкость конденсатора.
Ещё раз проделаем первый опыт, но теперь изменим расстояние между пластинами (рис. 86, в). С уменьшением расстояния между пластинами уменьшается напряжение между ними. При уменьшении расстояния между пластинами конденсатора при неизменном заряде ёмкость конденсатора увеличивается.
Проделаем ещё один опыт. Установим пластины конденсатора А и В на некотором расстоянии друг от друга. Пластину А зарядим. Заметим показания электрометра, когда между пластинами находится воздух. Разместим между пластинами лист из оргстекла или другой диэлектрик (рис. 86, г). Мы заметим, что напряжение между пластинами уменьшится. Следовательно, ёмкость конденсатора зависит от свойств внесённого диэлектрика.
При внесении диэлектрика ёмкость конденсатора увеличивается.
Конденсатор, как и любое заряженное тело, обладает энергией. Проверим это на опыте. Зарядим конденсатор и подсоединим к нему электрическую лампочку. Лампочка ярко вспыхнет. Это свидетельствует о том, что заряженный конденсатор обладает энергией. Энергия конденсатора превращается во внутреннюю энергию нити накаливания лампы и проводов. Для того чтобы зарядить конденсатор, нужно было совершить работу по разделению положительных и отрицательных зарядов. В соответствии с законом сохранения энергии, совершённая работа А равна энергии конденсатора Е, т. е.
где Е — энергия конденсатора.
Работу, которую совершает электрическое поле конденсатора, можно найти по формуле:
где Uср — это среднее значение напряжения.
Поскольку в процессе разрядки напряжение не остаётся постоянным, необходимо найти среднее значение напряжения:
Uср = U/2; тогда А = qUср = qU/2,
так как q = CU, то А = CU 2 /2.
Значит, энергия конденсатора ёмкостью С будет равна:
Конденсаторы могут длительное время накапливать энергию, а при разрядке они отдают её почти мгновенно. Свойство конденсатора накапливать и быстро отдавать электрическую энергию широко используется в электротехнических и электронных устройствах, в медицинской технике (рентгеновская техника, устройства электротерапии), при изготовлении дозиметров, аэрофотосъёмке.
Вопросы
- Для чего служат конденсаторы?
- Что характеризует электроёмкость конденсатора?
- Что принято за единицу электроёмкости в СИ?
- От чего зависит электроёмкость конденсатора?
Упражнение 38
- Пластины плоского конденсатора подсоединяют к источнику напряжения в 220 В. Ёмкость конденсатора равна 1,5 • 10 -4 мкФ. Чему будет равен заряд конденсатора?
- Заряд плоского конденсатора равен 2,7 • 10 -2 Кл, его ёмкость 0,01 мкФ. Найдите напряжение между обкладками конденсатора.
Задание
- Используя Интернет, найдите, как был устроен первый конденсатор — лейденская банка. Изготовьте её.
- Подготовьте выступление об истории создания конденсатора.
Как устроен конденсатор в электрофорной машине
Ранее мы показали, что перераспределение зарядов по поверхности конденсатора зависит от её типа, и при определённых условиях влияет на изменения КПД второго рода. Далее мы рассмотрим трёхобкладочный коаксиальный конденсатор, одна из обкладок корогого имеет неровную поверхность, а также проанализируем схему его включения вместе с электрофорной машиной [1].
Выбор такой конструкции конденсатора обусловлен своей простотой, а вот его параметры мы обсудим ниже. На рисунке изображена такая конструкция (вид сверху), и обозначение такого конденсатора в дальнейших принципиальных схемах. По сути, это три цилиндра разных диаметров вставленные один в другой. Поверхность двух внутренних — гладкая, а внешнего — неровная, поэтому она условно изображена прерывистой линией. Система образует два конденсатора — \(C_1\) и \(C_2\), ёмкость которых вычисляется по формулам: \[ C_1 = < 2\,\pi\,\varepsilon\,\ell \over \ln (r_2/r_1) >\] где: \(\varepsilon\) — постоянная диэлектрическая проницаемость, \(\ell\) — длина любого из цилиндров, \(r_1, r_2\) — радиусы внутреннего и среднего цилиндра соответственно. \[ C_2 = < 2\,\pi\,\varepsilon\,\ell \over \ln (r_3/r_2) >\] Здесь \(r_2, r_3\) — радиусы среднего и внешнего цилиндра. Хотя неровность поверхности внешнего цилиндра внесёт небольшие коррективы, пока мы её учитывать не будем, т.к. хотим показать больше качественный, чем количественный результат.
На рисунке показана возможная схема включения такого устройства. От высоковольного источника напряжения, через верхний замкнутый контакт переключателя SW, заряжается конденсатор \(C_1\). Затем ключ SW кратковременно замыкает свой нижний контакт и бо́льшая часть заряда перетекает в \(C_2\), а дроссель \(L_1\) препятствует прохождению тока на нагрузку в этот момент. Через промежуток, равный постоянной времени цепи, дроссель начинает пропускать ток в \(R_n\).
Из предыдущей части мы уже знаем, что коэффициент прироста КПД можно приблизительно подсчитать по формуле: \[ K_ \approx , \, g \gg 1 \] где \(g\) — коэффициент отношения форм поверхностей конденсаторов. Подставляя всё в предыдущую формулу можно получить окончательный результат для этой схемы: \[ K_ \approx <\ln (r_3/r_2) \over \ \ln (r_2/r_1)>, \, g \gg 1 \] Для того, чтобы получить \(g \gg 1\) нужно сделать поверхность внешней обкладки конденсатора неровной. Как вариант, можно использовать сетку: кривизна составляющих её прутиков может быть достаточной для получения нужного соотношения.
Можно ли в предыдущей схеме заменить источник высокого напряжения HV электрофорной машиной (ЭМ)? Её отличие будет состоять в том, что при каждом обороте на конденсатор будет поступать относительно малый заряд, который схема должна обязательно утилизировать, иначе накопившись он может тормозить вращающийся диск. Кроме того, для правильной работы схемы — нужен переключатель, поэтому в обычном виде ЭМ не подходит, придётся её доработать.
На нижнем рисунке слева изображён такой подход. Там в виде сектора представлен лепесток ЭМ, с которого снимается заряд при помощи щёток. Но в данной конструкции их две: первая (по ходу движения сектора) сбрасывает заряд на внутренний конденсатор \(C_1\), затем следует небольшой промежуток в котором оба контакта щёток замкнуты между собой, а следовательно заряд перетекает на внешний конденсатор \(C_2\), после чего начинает работать дроссель \(L_1\) пропуская заряд на нагрузку \(R_n\). Как видим, отличие этой конструкции от классической ЭМ — наличие на одном из её полюсов двух щёток вместо одной. На рисунке справа представлен симметричный вариант схемы, когда задействованы щётки обратной стороны диска, несущие противоположные заряды. Её принципиальное отличие — отсутствие заземления.
Необходимо остановиться на дросселе \(L_1\) (\(L_2\)). Дело в том, что нагрузка \(R_n\) при классических напряжениях ЭМ должна быть очень высокоомной, что нам не очень подходит. Для её уменьшения необходимо трансформировать напряжение в общеприменимое, например, в 220 Вольт. Это можно сделать разными способами, мы же предлагаем такой: \(L_1\) (\(L_2\)) должен из себя представлять трансформатор Тесла (ТТ) [2], который может работать, как дроссель, и который без труда справится с высоким входным напряжением и с его трансформированием. Здесь нужно вспомнить, что ТТ является четвертьволновой длинной линией, а потому на одном из ёё концов будет максимум напряжения, на другом — максимум тока. При реальных оборотах машины он получится довольно громоздким, но вполне допустимым. Например, для оборотов в 1400 об/мин, 36 секторах на диске и проводе в 0.1 мм, ТТ может быть высотой в 50 см и диаметром 40 см. Нужно заметить, что для такого способа нужно хорошее согласование параметров схемы с параметрами этого трансформатора.
Интересным представляется ещё один вариант схемы, когда внутренний конденсатор накапливает заряд со всех секторов ЭМ, но перетекает он на внешний только один раз за весь оборот диска. В этом случае съём заряда производится всего одной щёткой, но дополнительно нужно установить замыкающий контакт в какой-то части диска ЭМ. Вместо контакта можно применить разрядник, который будет срабатывать по достижению определённого напряжения. В любом случае, в этой схеме потребуется другая согласовка с выходным трансформатором (TV1), в котором есть смысл применить сердечник из феррита или даже из трансформаторной стали. В нём условно верхняя часть работает, как дроссель, а нижняя — как трансформатор. Симметричный вариант схемы делается аналогиным образом.
Понимая принцип создания таких устройств можно придумать свои схемы включения коаксиального конденсатора и ЭМ.
Как устроен конденсатор в электрофорной машине
МЯУ!
А попробуйте-ка вывести формулу электрической ёмкости заряженного кота!
МУР-Р-Р.
Слабо?
1.ЭЛЕКТРО… 
Согласно историческим источникам, почти три тысячелетия назад древнегреческие 
учёные (VII в. до н.э., Фалес Милетский [1]) обнаружили странное и необъяснимое свойство янтаря [2]: если потереть его о ткань, то янтарь начинает притягивать к себе мелкие (если они сухие) соломинки, соринки и т.п. неметаллические предметы. Поскольку «янтарь» по-гречески «электрон», то и все подобные явления древние греки стали называть «электрическими». Таким образом, почти три тысячи лет изучение электрических явлений оставалось на том же уровне. Существует мнение, что древние египтяне задолго до греков могли использовать электричество, например, для освещения подземных лабиринтов, в которых не найдено и следа копоти от факелов или других светильников, но это совсем другая история…
И вот произошёл «всплеск» не только научного, но и общественного интереса к электрическим явлениям. На светских вечерах модным стало показывать опыты с электричеством [3]. Но для лучшего эффекта нужны были некие устройства, которые могли бы создавать достаточно большой электрический заряд. Именно поэтому в первой половине XVIII века в Европе получили распространение электростатические генераторы – единственные в то время источники электрических зарядов. Принцип действия данных генераторов ничем не отличался от натирания янтаря о ткань.
Вспомним школьную физику. Электризация – это перераспределение электрических зарядов между физическими телами. Переносить электрический заряд с одного тела на другое могут лёгкие и подвижные элементарные частицы – электроны. В любом твёрдом теле имеется некоторое количество (большое или малое – это отдельный вопрос) электронов, не связанных с атомами. При соприкосновении, а особенно – при трении – происходит перемещение «свободных» электронов с одно тела на другое [4]. Физическое тело, на которое «переходят» электроны, получает избыточный ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ заряд, а то, с которого «убежали» электроны – равный по величине, но противоположный по знаку ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ заряд. Иначе и быть не может, тут работает фундаментальный закон природы – закон сохранения электрического заряда. Напоминаю: электроны находятся в так называемых электронных оболочках атомов, и те из них, которые расположены на внешних оболочках, слабо связаны с ядром и при различных условиях могут покидать атом и становиться «свободными». Именно свободные электроны, двигаясь упорядоченно, и создают электрический ток (но это, опять же, тема отдельного разговора). Нам для наблюдения электризации и электрического тока совершенно не обязательно срочно бросаться на поиски янтаря. Когда мы расчёсываем чистые сухие волосы пластмассовой расчёской, то волосы притягиваются к ней, а в темноте можно наблюдать даже искорки. Ещё лучше искорки видны в темноте, если гладить сухую и чистую кошачью шерсть. Снимая через голову шерстяной свитер, можно получить весьма чувствительный электрический щелчок в нос!
Интерес к электрическим явлениям возник благодаря их необычности, наглядности, эффектности и, разумеется, непонятности.
2. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР
В физической энциклопедии электростатический генератор – это устройство, в котором высокое постоянное напряжение создаётся при помощи механического переноса зарядов. Один из них все видели на уроках физики в школе – это электрофорная машина [5]. В ней диски из оргстекла, покрытые металлизированными полосками, вращаются рукой (это механика!). С поверхностью дисков соприкасаются металлические щётки. За счёт трения происходит электризация и накопление электрических зарядов в лейденских банках.
Электрофорная машина относится к типу роторных электростатических генераторов. Следует отметить, что вместо диска в таких генераторах может использоваться цилиндр и даже (в XVIIIв) даже шар. Диск или цилиндр принято называть диэлектрическим транспортёром.
Другой тип электростатических генераторов – генераторы Ван-де-Граафа, в которых диэлектрический транспортёр выполнен в виде гибкой ленты. У них электрический заряд непрерывно стекает со щётки и переносится внутрь полого высоковольтного электрода, где заряд и стекает на этот электрод.
Отто фон Герике (1602-1686) – немецкий физик, инженер и философ [6]. В 1663 г изобрёл первый 
электростатический генератор, производящий электричество трением. Обнаружил, что заряженный электричеством от генератора шар из серы [7] потрескивает и светится в темноте (первым наблюдал электролюминисценцию, но это…).
Френсис Хуксби (1666-1713) создал мощный электростатический генератор [8], основанный на трении – так называемую «машину влияний» («influence machine»). В своих опытах он заменил серный шар Герике стеклянным.
Ван-де-Грааф Роберт (1901-1967) – американский физик создал в 1929г генератор высокого напряжения, позволявший получить напряжение 80 кВ; в 1931г и 1933г были построены более мощные генераторы, позволившие достичь напряжения до 7 МВ [10].
3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ФЛЮИД
В XVIII в о внутреннем строении вещества знали мало и, естественно, пытались объяснить неизвестное посредством аналогичных понятий. Так, электричество представлялось в виде некой невидимой и невесомой жидкости – «электрического флюида», которая могла перетекать от одного тела к другому под действием особой «электродвижущей» силы [11]. Ну а различные физические тела накапливали в себе больший или меньший объём «флюида» в зависимости от их «электрической ёмкости». Сравните: ёмкость сосудов, куда наливают, например, воду. Возник вопрос: а нельзя ли создать некие особые ёмкости для хранения электрического «флюида», для переноски с места на место и для дальнейшего использования?
Итак, исследователи XVIII века пытались создать НЕКИЕ устройства для хранения электричества, получаемого с помощью электростатических генераторов.
4. ЛЕЙДЕНСКАЯ БАНКА
Реальный успех в этом направлении был достигнут благодаря изобретению прибора, впоследствии получившего название «лейденская банка». Его предложили независимо друг от друга голладский учёный П. Мюсхенбрук из Лейдена – в начале 1745г и немецкий соборный декан Э. Клейст из Померании – осенью того же года.
Желая «уловить» электричество от кондуктора генератора, П. Мюсхенбрук поддерживал рукой снизу круглую колбу [12-A] так, чтобы свисающий с кондуктора проводник погрузился в жидкость. Э. Клейст держал в руке флакон от лекарства, прикоснувшись выступающим из него проводником к кондуктору генератора [12-B]. Если при этом экспериментаторы оказывались «подключенными» через землю ко второму полюсу генератора, сосуды заряжались.
Вот так, при совершенно неправильном представлении о природе электричества и электрических явлениях, была решена задача накопления электричества, точнее – электрического заряда.
5. КОНДЕНСАТОР? КОНДЕНСАТОР!
Напомню, что конденсатор представляет собой систему из двух проводников, разделённых диэлектриком.
По сути лейденская банка явилась прообразом конденсатора. Уточним детали. В обеих банках (Мюсхенбрука и Клейста) диэлектриком служило стекло, внутренней обкладкой — проводящая жидкость (вода, ртуть и т.п.), внешней обкладкой – ладонь экспериментатора.
Зарядив свой флакон [13-a], Э. Клейст переходил с ним в другое место и, прикасаясь другой рукой к выводу внутренней обкладки, разряжал флакон [13-б] через своё тело (никаких приборов, с помощью которых можно было бы оценить «силу» разряда, в те времена ещё не существовало). Образующейся при этом искрой удавалось воспламенить спирт.
Лейденскую банку вскоре после её изобретения несколько усовершенствовали: обе обкладки стали делать из металлической фольги – приоритет изобретения приписывают англичанам Д. Смитону, Д. Бевису, В. Ватсону и французу Ж. Ноле. А поскольку реальной воды в банке больше не было, но электричество она стала накапливать больше чем прежде, это послужило подтверждением теории электрического «флюида».
Лейденские банки применяют и в настоящее время, правда, только в качестве наглядного пособия. Именно лейденские банки служат накопителями электрического заряда в электрофорной машине (см. выше).
Устроена такая банка следующим образом: цилиндрический стеклянный или пластмассовый сосуд оклеен фольгой снаружи и изнутри примерно до 2/3 высоты. Сквозь изолирующую пробку в сосуд помещён металлический стержень, соединённый с внутренней обкладкой [12-в].
Исследователям, работавшим с лейденской банкой, было нелегко уяснить главное – то, что между двумя 
проводящими обкладками должен находиться диэлектрик. Первым это понял Д. Смитон [14], 
который изобрёл плоский конденсатор в виде оконного стекла, оклеенного фольгой с двух сторон [15]. Несколько позднее это изобретение независимо от Д. Смитона повторил американский учёный и политик Б. Франклин.
Петербуржский академик Ф. Эпинус [16] пошёл дальше – он создал воздушный конденсатор плоского типа в виде двух обкладок фольги, наклеенных, для жёсткости, на деревянные пластины [15]. «После того, как поставил опыт обычным образом, – писал Ф. Эпинус, – я немедленно же получил сильное потрясение, совершенно подобное тому, какое обычно вызывает лейденская банка».
Лейденская банка сыграла важную роль в развитии науки и техники. Эксперименты с ней приблизили практическое использование электрических и магнитных явлений, таких, как, например, колебательный разряд конденсатора, предсказанный Ф. Эпинусом. Теоретически это явление обосновал английский физик У. Томсон (лорд Кельвин), которому принадлежит знаменитая формула: .
При подключении к источнику постоянного тока, обкладки конденсатора заряжаются, одна приобретает положительный потенциал, а другая отрицательный. Между обкладками противоположные по знаку, но равные по значению, электрические заряды создают электрическое поле. Когда напряжения станут одинаковыми и на обкладках, и на источнике подаваемого тока, движение электронов прекратится, и зарядка конденсатора закончится. Определенный промежуток времени конденсатор сохраняет заряды и выполняет функции автономного источника электроэнергии. В таком состоянии он может находиться достаточно долгое время. Если вместо источника, включить в цепь резистор, то конденсатор разрядится на него.
При подключении конденсатора к источнику переменного или постоянного тока в нём будут происходить разные процессы. Постоянный ток не пойдет по цепи с конденсатором, так как между его обкладками находится диэлектрик, и цепь, фактически, разомкнута.
Переменный ток за счет того, что он периодически меняет направление, может проходить через конденсатор (на самом деле всё сложнее, и переменный ток также не проходит через конденсатор. Д. Максвелл ввёл воображаемый «ток смещения» для объяснения «проводимости» конденсатора в цепи переменного тока.). При этом происходит периодический разряд и заряд конденсатора. На протяжении первой четверти периода заряд идет до максимума, в нем запасается энергия электрического поля, в следующую четверть конденсатор разряжается и электрическое поле уменьшается до нуля. В цепи переменного тока конденсатор обладает реактивным сопротивлением. Кроме того, в электрической цепи переменного тока с конденсатором, ток и напряжение совершают колебания не в одной фазе [18, а, б].
6. ЗАЧЕМ НУЖНЫ КОНДЕНСАТОРЫ?
Потребность в массовом производстве конденсаторов возникла в связи с изобретением радио А.С. Поповым в 1895 г., но не сразу, а спустя три года, когда немецкий физик К. Браун предложил с целью увеличения мощности передатчика беспроволочного телеграфа возбуждать открытый вибратор не непосредственно, а через связанный с ним колебательный контур (см. мою статью «Простейший радиоприёмник»). В качестве конденсаторов такого передатчика ещё долго применяли лейденские банки. Кстати, по аналогичной схеме стали строить и входные цепи приёмников.
Примерно до 1915 г. приёмник настраивали с помощью переменной индуктивности, а затем для этой цели стали применять изобретённый в 1893 г. Воздушный конденсатор переменной ёмкости – прямой потомок конденсатора Ф. Эпиуса.
Роль конденсатора в электронной схеме заключается в накоплении электрического заряда, разделения постоянной и переменной составляющей тока, фильтрации пульсирующего тока и многое другое.
Вспомним стандартную схему детекторного приёмника из школьного учебника физики (подробнее см. мою статью «Простейший радиоприёмник»):
В нём имеются два конденсатора, обозначенные как С1 и С2.
С1 является элементом колебательного контура C1L1. Ёмкость этого конденсатора можно менять, тем самым меняя резонансную частоту контура. Делается это для точной настройки на частоту передающей радиостанции.
С2, подключенный параллельно головным телефонам BF1, служит для сглаживания пульсаций напряжения после детектирования сигнала.
Вообще же, чем сложнее схема радиоэлектронного устройства, тем больше в ней различных конденсаторов и разнообразнее их функции.
[20] — конденсаторы на материнской плате.
7. ОБОЗНАЧЕНИЯ КОНДЕНСАТОРОВ И ИХ ВИДЫ
Обозначение конденсатора в виде двух параллельных отрезков было срисовано (как мне кажется) с конструкций конденсаторов Д. Смитона и Ф. Эпиуса.
Слева направо и сверху вниз [21]:
1. конденсатор постоянной ёмкости 100 пФ
2. конденсатор постоянной ёмкости 47 000 пФ
3. конденсатор постоянной ёмкости 0,1 мкФ
4, 5, 6. электролитический конденсатор 10 мкФ
7. подстроечный конденсатор 10-30 пФ
8. конденсатор переменной ёмкости 3-330 пФ
9. варикап
С1, С2, С3 имеют постоянную ёмкость и определённое рабочее напряжение. Неполярные.
С4, С5, С6 являются полярными (+ и -), имеют постоянную ёмкость и определённое рабочее напряжение.
С7 позволяет менять его ёмкость в небольших пределах.
С8 позволяет менять его ёмкость в широком диапазоне.
СD1 – полупроводниковый диод (см. мою статью «ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД»), у которого ёмкость p-n перехода зависит от приложенного обратного напряжения. В данной статье не рассматривается.
Конденсаторы постоянной ёмкости (неполярные) – это наиболее многочисленное семейство [22]. Типов таких конденсаторов достаточно много и все они подробно описаны в разнообразных справочниках, в том числе – электронных. 
Конденсатор пост. ёмкости на плате [23]: 
При установке в электрическую цепь следует обращать внимание на рабочее напряжение. При превышении напряжения произойдёт пробой диэлектрика и конденсатор выйдет из строя.
В настоящее время многие конденсаторы постоянной ёмкости маркируются цветовым кодом.
На сайте http://www.ntpo.com/electronics/programm имеется программка для определения ёмкости подобных конденсаторов: 
или другая на сайте SOFTPORTAL.com: 
Электролитические конденсаторы не так многочисленны по внешнему виду, как предыдущие. Они имеют довольно стандартную конструкцию: как правило, это цилиндр с двумя выводами в торце или с по одному выводу с двух торцов, с обязательным обозначением полярности [24]: 
Электролитические конденсаторы на плате [25]: 
Существую и неполярные электролитические конденсаторы [26]: 
Подстроечные конденсаторы и КПЕ [27] применяются в радиопередающих и радиоприёмных устройствах. Но приближается время цифрового радио, поэтому, наверное, эти конденсаторы постепенно станут музейными раритетами. 
[28] ЧЕТЫРЁХсекционный КПЕ в радиоприёмнике «ИШИМ-003»: 
8. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КОНДЕНСАТОРОВ
Ёмкость – основной параметр конденсатора. На конденсаторе указывается его номинальная ёмкость. Реально она несколько отличается указанной.
ЁМКОСТЬ плоского конденсатора можно рассчитать по формуле: , где
С – ёмкость, q – заряд обкладок, U – напряжение между ними, Е — диэлектрическая проницаемость диэлектрика между обкладками, Ео – диэлектрическая постоянная, S – площадь обкладок, d – расстояние между ними.
Основная единица измерения электрической ёмкости 1 Ф (Фарад), все остальные – производные: 1 мкФ, 1 нФ, 1 пФ.
Следует знать, что обычные конденсаторы имеют ёмкость значительно меньше 1 Ф.
Для справки: существуют особые конденсаторы – ИОНИСТОРЫ [29]:
Иони́стор (суперконденсатор, ультраконденсатор, двухслойный электрохимический конденсатор, англ. EDLC, Electricdouble—layercapacitor) — электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. Функционально представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока.
В связи с тем, что толщина двойного электрического слоя (то есть расстояние между «обкладками» конденсатора) крайне мала, запасённая ионистором энергия выше по сравнению с обычными конденсаторами того же размера. К тому же, использование двойного электрического слоя вместо обычного диэлектрика позволяет намного увеличить площадь поверхности электрода. Ёмкость ионистора — от несколько до десятков фарад, при номинальном напряжении 2-10 В.
НОМИНАЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ – это напряжение между обкладками конденсатора, при котором гарантированно не происходит пробой диэлектрика. Допустимо но не желательно кратковременное незначительное его превышение.
ПОЛЯРНОСТЬ. Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью вздутия [30] и даже взрыва корпуса.
9. СПОСОБЫ СОЕДИНЕНИЯ КОНДЕНСАТОРОВ
Отдельные конденсаторы могут быть соединены друг с другом различным образом. При этом во всех случаях можно найти емкость некоторого эквивалентного конденсатора, который может заменить ряд соединенных между собой конденсаторов.
Для эквивалентного конденсатора выполняется условие: если подводимое к его обкладкам напряжение равно напряжению, подводимому к крайним зажимам группы конденсаторов, то этот конденсатор накопит такой же заряд, как и группа конденсаторов.
Последовательное соединение конденсаторов [31 A].
При последовательном соединении конденсаторов на обкладках отдельных конденсаторов электрические заряды по величине равны: Q1= Q2 = Q3 = Q
Действительно, от источника питания заряды поступают лишь на внешние обкладки цепи конденсаторов, а на соединенных между собой внутренних обкладках смежных конденсаторов происходит лишь перенос такого же по величине заряда с одной обкладки на другую (наблюдается электростатическая индукция), поэтому и на них появляются равные и разноимённые электрические заряды.
Напряжения между обкладками отдельных конденсаторов при их последовательном соединении зависят от ёмкостей отдельных конденсаторов:
U1 = Q/C1, U1 = Q/C2, U1 = Q/C3, а общее напряжение U = U1 + U2 + U3
Общая емкость эквивалентного конденсатора Cэ = Q / U = Q / (U1 + U2 + U3), т. е. при последовательном соединении конденсаторов величина, обратная общей емкости, равна сумме обратных величин емкостей отдельных конденсаторов.
Параллельное соединение конденсаторов [31 Б].
В этом случае напряжения, подводимые к отдельным конденсаторам, одинаковы: U1 = U2 = U3 = U. Заряды на обкладках отдельных конденсаторов: Q1 = C1U, Q2 = C2U, Q3 = C3U, а заряд, полученный от источника Q = Q1 + Q2 + Q3.
Общая емкость равнозначного (эквивалентного) конденсатора:
Cэ = Q / U = (Q1 + Q2 + Q3) / U = C1 + C2 + C3,
т. е. при параллельном соединении конденсаторов общая емкость равна сумме емкостей отдельных конденсаторов.
10. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОНДЕНСАТОРОВ
10.1. В колебательном контуре — для настройки радиоприёмника на частоту передающей радиостанции [32]
КПЕ в детекторном радиоприёмнике из кабинета физики.
10.2. В блоках питания РЭА — РадиоЭлектронной Аппаратуры — для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения [33]
C1 на входе и С2 на выходе стабилизатора.
10.3. В фотовспышках — для мгновенного разряда имульсной лампы [34]
10.4. В фильтрах аккустических систем — для разделения переменного тока звуковой частоты на несколько полос НЧ, СЧ и ВЧ [35]
Схема фильтра —> фильтр —> самодельные трёхполосные АС
10.5. В фильтрах цветомузыкальных установок — также для разделения переменного тока звуковой частоты на несколько полос НЧ, СЧ и ВЧ [34]
С4 — в фильтре ВЧ, С5 и С6 — в фильтре СЧ, С7 и С8 — в фильтре НЧ
10.6. Конденсаторный [37] и электретный[38] микрофоны
Электре́тный микрофо́н — микрофон с принципом действия сходным с микрофонами конденсаторного типа, но использующий в отличие от них, в качестве неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения пластину из электрета.
Электре́т — диэлектрик, длительное время сохраняющий поляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, которое привело к поляризации (или заряжению) этого диэлектрика, и создающий в окружающем пространстве квазипостоянное электрическое поле.
10.6. Сенсорная клавиатура
10.7. Сенсорный экран
10.8. Емкостные датчики [41]
Ёмкостный датчик — преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение ёмкости конденсатора.
Ёмкостные датчики получили широкое распространение там, где необходимо контролировать появление слабопроводящих жидкостей, например воды. Это датчики уровня жидкости, датчики дождя в автомобилях, датчики в сенсорных кнопках на бытовой технике (в живых тканях много воды) и т. п.
11. На десерт [42] ПОТОМКИ ЛЕЙДЕНСКОЙ БАНКИ (журнал «Техника – молодёжи», №7, 1989г)
Лейденская банка Ивана Соколова, механика Петербуржской Академии наук (рис.1). Внешняя обкладка стеклянного сосуда – фольга, внутренняя – мелкая свинцовая дробь. Это «конденсатор» постоянной ёмкости, которая зависит от диэлектрических свойств среды между обкладками, их площади и расстояния между ними.
Если взять ящик из диэлектрика, дно которого снаружи покрыто станиолем, и заполнить его частично электропроводящей жидкостью, то менять ёмкость такого конденсатора можно, наклоняя ящик и меняя тем самым площадь «жидкой» обкладки конденсатора (рис. 2). Это конденсатор переменной ёмкости.
Существует немало способов подстройки конденсатора, т.е. установления определённой ёмкости. Например, можно сделать одну из обкладок в виде ряда полосок различной ширины, причём площадь их подбирается такой, чтобы ёмкость заранее превосходила необходимую. Подстраивается конденсатор перерезанием перемычек и удалением ненужных полосок (рис.3).
Подобно грозовым облакам, роль регулируемой обкладки может играть и газ, ионизирующийся под действием света определённой длины волны. Если прикрыть сетчатую обкладку конденсатора кварцевым стеклом, пропускающим ультрафиолетовые лучи (рис.4), то при облучении газа, находящегося в её ячейках, образуется дополнительная проводящая область, за счёт которой увеличивается дополнительная эффективная площадь обкладки, и, следовательно, и ёмкость конденсатора.
Не меньше, чем лейденская банка, известно изобретение В. Розена (1922 г, СССР). Его конденсатор переменной ёмкости состоит из большого числа параллельных металлических пластин. Одни из них, прямоугольные, жёстко соединены с корпусом и образуют статор, другие, сегментообразные, закреплены на оси – это ротор (рис. 5). При вращении ротора его пластины заходят в зазоры статора – изменяется площадь перекрытия, а в коечном итоге и ёмкость. Именно такие КПЕ устанавливались во все радиоприёмники (до недавнего времени).
В другом варианте КПЕ металлические стаканы различных размеров, входящие друг в друга (рис.6). Площадь перекрытия изменяется поступательным движением одного из них.
Самый простой и дешёвый подстроечный конденсатор состоит из двух отрезков изолированных проводов (рис. 7). Достаточно скрутить их в жгут, и ёмкость увеличится, раскрутить – уменьшится.
Для изменения ёмкости можно менять одновременно площадь обкладок и расстояние между ними. В таком конденсаторе обкладки выполнены в виде плоских металлических пружин, покрытых изоляционным лаком (рис. 8). Одни их концы жёстко закреплены в углах диэлектрической коробки, служащей корпусом конденсатора, другие – на оси, расположенной в её центре. При вращении оси изменяются не только площади перекрытия, но и расстояния между пружинами.
Постепенным напылением диэлектрика в межобкладочное пространство также можно менять ёмкость конденсатора (рис. 9). Напыление должно происходить в вакууме, поэтому процесс технологически не совсем простой.
Пространство между обкладками высоковольтного конденсатора заполняется маслом и глицерином, которые имеют разные диэлектрические проницаемости. Чтобы они не смешивались, их разделяют эластичной диэлектрической перегородкой. Меняя объёмы масла и/или глицерина, меняют ёмкость конденсатора (рис. 10).
Можно обойтись и одной жидкостью. Если пропускать через неё пузырьки газа (как в аквариуме), то она будет вспениваться и несколько менять свою диэлектрическую проницаемость, а, значит, будет изменяться ёмкость такого конденсатора (рис. 11).
Газ между обкладками можно заключить в эластичную оболочку (рис. 12). При изменении давления газа объём такого «пузыря» также будет меняться, будет меняться соотношение газа и жидкости между обкладками, а поскольку их диэлектрические проницаемости различны, то будет меняться и ёмкость конденсатора.
Можно менять свойства межобкладочного пространства не за счёт диэлектрика, а за счёт проводника. Конденсатор выполнен в виде диэлектрической трубки с насаженными на неё цилиндрическими обкладками, а мам проводник – в виде винта, который «ходит» внутри этой трубки по резьбе (рис. 13).
Конденсатор, между обкладками которого помещён сегнетоэлектрик, получил название «вариконд». Ёмкость вариконда зависит от многих параметров – величины электрического напряжения на его обкладках, температуры нагрева сегнетоэлектрика, степени его деформации, величины напряжённости внешнего электрического поля… Было предложено расположить обкладки вариконда на одной стороне диэлектрической подложки, а на другой, под местом расположения – электрод (рис. 14). Меняя напряжение между электродом и какой-либо из обкладок, можно менять диэлектрическую проницаемость сегнетоэлектрика, а, следовательно, ёмкость вариконда. Таким образом получается КПЕ без механических элементов!
Управлять ёмкостью конденсатора можно с помощью светового луча. Для этого надо нанести на обкладки, расположенные в одной плоскости, слой фоточувствительного материала, диэлектрическая проницаемость которого зависит от интенсивности светового потока (рис. 15). При освещении световым лучом разной интенсивности будет меняться ёмкость такого конденсатора.
Конденсатор можно поместить между полюсами электромагнита, а в качестве диэлектрика использовать ферромагнитную жидкость (рис. 16). При изменении напряжённости магнитного поля будет меняться диэлектрическая проницаемость жидкости и, соответственно, ёмкость конденсатора.
Управлять ёмкостью можно с помощью обычного переменного резистора, если его присоединить к дополнительным обкладкам, помещённым внутри основных (рис. 17).
И это ещё далеко не всё…
29 сентября 2014г.
НАЗАД на страницу РАДИОкомпоненты
Конденсаторы: назначение, устройство, принцип действия
Во всех радиотехнических и электронных устройствах кроме транзисторов и микросхем применяются конденсаторы. В одних схемах их больше, в других меньше, но совсем без конденсаторов не бывает практически ни одной электронной схемы.
При этом конденсаторы могут выполнять в устройствах самые разные задачи. Прежде всего, это емкости в фильтрах выпрямителей и стабилизаторов. С помощью конденсаторов передается сигнал между усилительными каскадами, строятся фильтры низких и высоких частот, задаются временные интервалы в выдержках времени и подбирается частота колебаний в различных генераторах.
Свою родословную конденсаторы ведут от лейденской банки, которую в середине XVIII века в своих опытах использовал голландский ученый Питер ван Мушенбрук. Жил он в городе Лейдене, так что нетрудно догадаться, почему так называлась эта банка.
Собственно это и была обыкновенная стеклянная банка, выложенная внутри и снаружи оловянной фольгой – станиолем. Использовалась она в тех же целях, как и современная алюминиевая, но тогда алюминий открыт еще не был.
Единственным источником электричества в те времена была электрофорная машина, способная развивать напряжение до нескольких сотен киловольт. Вот от нее и заряжали лейденскую банку. В учебниках физики описан случай, когда Мушенбрук разрядил свою банку через цепь из десяти гвардейцев взявшихся за руки.
В то время никто не знал, что последствия могут быть трагическими. Удар получился достаточно чувствительным, но не смертельным. До этого не дошло, ведь емкость лейденской банки была незначительной, импульс получился очень кратковременным, поэтому мощность разряда была невелика.
Как устроен конденсатор
Устройство конденсатора практически ничем не отличается от лейденской банки: все те же две обкладки, разделенные диэлектриком. Именно так на современных электрических схемах изображаются конденсаторы. На рисунке 1 показано схематичное устройство плоского конденсатора и формула для его расчета.
Рисунок 1. Устройство плоского конденсатора
Здесь S – площадь пластин в квадратных метрах, d – расстояние между пластинами в метрах, C — емкость в фарадах, ε – диэлектрическая проницаемость среды. Все величины, входящие в формулу, указаны в системе СИ. Эта формула справедлива для простейшего плоского конденсатора: можно просто расположить рядом две металлические пластины, от которых сделаны выводы. Диэлектриком может служить воздух.
Из этой формулы можно понять, что емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь пластин и чем меньше расстояние между ними. Для конденсаторов с другой геометрией формула может быть иной, например, для емкости одиночного проводника или электрического кабеля. Но зависимость емкости от площади пластин и расстояния между ними та же, что и у плоского конденсатора: чем больше площадь и чем меньше расстояние, тем больше емкость.
На самом деле пластины не всегда делаются плоскими. У многих конденсаторов, например металлобумажных, обкладки представляют собой алюминиевую фольгу свернутую вместе с бумажным диэлектриком в плотный клубок, по форме металлического корпуса.
Для увеличения электрической прочности тонкая конденсаторная бумага пропитывается изолирующими составами, чаще всего трансформаторным маслом. Такая конструкция позволяет делать конденсаторы с емкостью до нескольких сотен микрофарад. Примерно так же устроены конденсаторы и с другими диэлектриками.
Формула не содержит никаких ограничений на площадь пластин S и расстояние между пластинами d. Если предположить, что пластины можно развести очень далеко, и при этом площадь пластин сделать совсем незначительной, то какая-то емкость, пусть небольшая, все равно останется. Подобное рассуждение говорит о том, что даже просто два проводника, расположенные по соседству, обладают электрической емкостью.
Этим обстоятельством широко пользуются в высокочастотной технике: в некоторых случаях конденсаторы делаются просто в виде дорожек печатного монтажа, а то и просто двух скрученных вместе проводков в полиэтиленовой изоляции. Обычный провод–лапша или кабель также обладают емкостью, причем с увеличением длины она увеличивается.
Кроме емкости C, любой кабель обладает еще и сопротивлением R. Оба этих физических свойства распределены по длине кабеля, и при передаче импульсных сигналов работают как интегрирующая RC – цепочка, показанная на рисунке 2.
На рисунке все просто: вот схема, вот входной сигнал, а вот он же на выходе. Импульс искажается до неузнаваемости, но это сделано специально, для чего и собрана схема. Пока же речь идет о влиянии емкости кабеля на импульсный сигнал. Вместо импульса на другом конце кабеля появится вот такой «колокол», а если импульс короткий, то он может и вовсе не дойти до другого конца кабеля, вовсе пропасть.
Исторический факт
Здесь вполне уместно вспомнить историю о том, как прокладывали трансатлантический кабель. Первая попытка в 1857 году потерпела неудачу: телеграфные точки – тире (прямоугольные импульсы) искажались так, что на другом конце линии длиной 4000 км разобрать ничего не удалось.
Вторая попытка была предпринята в 1865 году. К этому времени английский физик У. Томпсон разработал теорию передачи данных по длинным линиям. В свете этой теории прокладка кабеля оказалась более удачной, сигналы принять удалось.
За этот научный подвиг королева Виктория пожаловала ученого рыцарством и титулом лорда Кельвина. Именно так назывался небольшой город на побережье Ирландии, где начиналась прокладка кабеля. Но это просто к слову, а теперь вернемся к последней букве в формуле, а именно, к диэлектрической проницаемости среды ε.
Немножко о диэлектриках
Эта ε стоит в знаменателе формулы, следовательно, ее увеличение повлечет за собой возрастание емкости. Для большинства используемых диэлектриков, таких как воздух, лавсан, полиэтилен, фторопласт эта константа практически такая же, как у вакуума. Но вместе с тем существует много веществ, диэлектрическая проницаемость которых намного выше. Если воздушный конденсатор залить ацетоном или спиртом, то его емкость возрастет раз в 15…20.
Но подобные вещества обладают кроме высокой ε еще и достаточно высокой проводимостью, поэтому такой конденсатор заряд держать будет плохо, он быстро разрядится сам через себя. Это вредное явление называется током утечки. Поэтому для диэлектриков разрабатываются специальные материалы, которые позволяют при высокой удельной емкости конденсаторов обеспечивать приемлемые токи утечки. Именно этим и объясняется такое разнообразие видов и типов конденсаторов, каждый из которых предназначен для конкретных условий.
Электролитический конденсатор
Наибольшей удельной емкостью (соотношение емкость / объем) обладают электролитические конденсаторы. Емкость «электролитов» достигает до 100 000 мкФ, рабочее напряжение до 600В. Такие конденсаторы работают хорошо только на низких частотах, чаще всего в фильтрах источников питания. Электролитические конденсаторы включаются с соблюдением полярности.
Электродами в таких конденсаторах является тонкая пленка из оксида металлов, поэтому часто эти конденсаторы называют оксидными. Тонкий слой воздуха между такими электродами не очень надежный изолятор, поэтому между оксидными обкладками вводится слой электролита. Чаще всего это концентрированные растворы кислот или щелочей.
На рисунке 3 показан один из таких конденсаторов.
Рисунок 3. Электролитический конденсатор
Чтобы оценить размеры конденсатора рядом с ним сфотографировался простой спичечный коробок. Кроме достаточно большой емкости на рисунке можно разглядеть еще и допуск в процентах: ни много ни мало 70% от номинальной.
В те времена, когда компьютеры были большими и назывались ЭВМ, такие конденсаторы стояли в дисководах (по-современному HDD). Информационная емкость таких накопителей теперь может вызвать лишь улыбку: на двух дисках диаметром 350 мм хранилось 5 мегабайт информации, а само устройство весило 54 кг.
Основным назначением показанных на рисунке суперконденсаторов был вывод магнитных головок из рабочей зоны диска при внезапном отключении электроэнергии. Такие конденсаторы могли хранить заряд несколько лет, что было проверено на практике.
Чуть ниже с электролитическими конденсаторами будет предложено проделать несколько простых опытов, чтобы понять, что может делать конденсатор.
Для работы в цепях переменного тока выпускаются неполярные электролитические конденсаторы, вот только достать их почему-то очень непросто. Чтобы как-то эту проблему обойти, обычные полярные «электролиты» включают встречно-последовательно: плюс-минус-минус-плюс.
Если полярный электролитический конденсатор включить в цепь переменного тока, то сначала он будет греться, а потом раздастся взрыв. Отечественные старые конденсаторы разлетались во все стороны, импортные же имеют специальное приспособление, позволяющее избежать громких выстрелов. Это, как правило, либо крестовая насечка на донышке конденсатора, либо отверстие с резиновой пробкой, расположенное там же.
Очень не любят электролитические конденсаторы повышенного напряжения, даже если полярность соблюдена. Поэтому никогда не надо ставить «электролиты» в цепь, где предвидится напряжение близкое к максимальному для данного конденсатора.
Иногда в некоторых, даже солидных форумах, начинающие задают вопрос: «На схеме означен конденсатор 470µF * 16V, а у меня есть 470µF * 50V, можно ли его поставить?». Да, конечно можно, вот обратная замена недопустима.
Конденсатор может накапливать энергию
Разобраться с этим утверждением поможет простая схема, показанная на рисунке 4.
Рисунок 4. Схема с конденсатором
Главным действующим лицом этой схемы является электролитический конденсатор C достаточно большой емкости, чтобы процессы заряда – разряда протекали медленно, и даже очень наглядно. Это дает возможность наблюдать работу схемы визуально с помощью обычной лампочки от карманного фонаря. Фонари эти давно уступили место современным светодиодным, но лампочки для них продаются до сих пор. Поэтому, собрать схему и провести простые опыты очень даже просто.
Может быть, кто-то скажет: «А зачем? Ведь и так все очевидно, да если еще и описание почитать…». Возразить тут, вроде, нечего, но любая, даже самая простая вещь остается в голове надолго, если ее понимание пришло через руки.
Итак, схема собрана. Как она работает?
В положении переключателя SA, показанном на схеме, конденсатор C заряжается от источника питания GB через резистор R по цепи: +GB __ R __ SA __ C __ -GB. Зарядный ток на схеме показан стрелкой с индексом iз. Процесс заряда конденсатора показан на рисунке 5.
Рисунок 5. Процесс заряда конденсатора
На рисунке видно, что напряжение на конденсаторе возрастает по кривой линии, в математике называемой экспонентой. Ток заряда прямо-таки зеркально отражает напряжение заряда. По мере того, как напряжение на конденсаторе растет, ток заряда становится все меньше. И только в начальный момент соответствует формуле, показанной на рисунке.
Через некоторое время конденсатор зарядится от 0В до напряжения источника питания, в нашей схеме до 4,5В. Весь вопрос в том, как это время определить, сколько ждать, когда же конденсатор зарядится?
Постоянная времени «тау» τ = R*C
В этой формуле просто перемножаются сопротивление и емкость последовательно соединенных резистора и конденсатора. Если, не пренебрегая системой СИ, подставить сопротивление в Омах, емкость в Фарадах, то результат получится в секундах. Именно это время необходимо для того, чтобы конденсатор зарядился до 36,8% напряжения источника питания. Соответственно для заряда практически до 100% потребуется время 5* τ.
Часто, пренебрегая системой СИ, подставляют в формулу сопротивление в Омах, а емкость в микрофарадах, тогда время получится в микросекундах. В нашем случае результат удобнее получить в секундах, для чего придется микросекунды просто умножить на миллион, а проще говоря, переместить запятую на шесть знаков влево.
Для схемы, показанной на рисунке 4, при емкости конденсатора 2000мкФ и сопротивлении резистора 500Ω постоянная времени получится τ = R*C = 500 * 2000 = 1000000 микросекунд или ровно одна секунда. Таким образом, придется подождать приблизительно 5 секунд, пока конденсатор зарядится полностью.
Если по истечении указанного времени переключатель SA перевести в правое положение, то конденсатор C разрядится через лампочку EL. В этот момент получится короткая вспышка, конденсатор разрядится и лампочка погаснет. Направление разряда конденсатора показано стрелкой с индексом iр. Время разряда также определяется постоянной времени τ. График разряда показан на рисунке 6.
Рисунок 6. График разряда конденсатора
Конденсатор не пропускает постоянный ток
Убедиться в этом утверждении поможет еще более простая схема, показанная на рисунке 7.
Рисунок 7. Схема с конденсатором в цепи постоянного тока
Если замкнуть переключатель SA, то последует кратковременная вспышка лампочки, что свидетельствует о том, что конденсатор C зарядился через лампочку. Здесь же показан и график заряда: в момент замыкания переключателя ток максимальный, по мере заряда конденсатора уменьшается, а через некоторое время прекращается совсем.
Если конденсатор хорошего качества, т.е. с малым током утечки (саморазряда) повторное замыкание выключателя к вспышке не приведет. Для получения еще одной вспышки конденсатор придется разрядить.
Конденсатор в фильтрах питания
Конденсатор ставится, как правило, после выпрямителя. Чаще всего выпрямители делаются двухполупериодными. Наиболее распространенные схемы выпрямителей показаны на рисунке 8.
Рисунок 8. Схемы выпрямителей
Однополупериодные выпрямители также применяются достаточно часто, как правило, в тех случаях, когда мощность нагрузки незначительна. Самым ценным качеством таких выпрямителей является простота: всего один диод и обмотка трансформатора.
Для двухполупериодного выпрямителя емкость конденсатора фильтра можно рассчитать по формуле
C = 1000000 * Po / 2*U*f*dU, где C емкость конденсатора мкФ, Po мощность нагрузки Вт, U напряжение на выходе выпрямителя В, f частота переменного напряжения Гц, dU амплитуда пульсаций В.
Большое число в числителе 1000000 переводит емкость конденсатора из системных Фарад в микрофарады. Двойка в знаменателе представляет собой число полупериодов выпрямителя: для однополупериодного на ее месте появится единица
C = 1000000 * Po / U*f*dU,
а для трехфазного выпрямителя формула примет вид C = 1000000 * Po / 3*U*f*dU.
Суперконденсатор – ионистор
В последнее время появился новый класс электролитических конденсаторов, так называемый ионистор. По своим свойствам он похож на аккумулятор, правда, с несколькими ограничениями.
Заряд ионистора до номинального напряжения происходит в течение короткого времени, буквально за несколько минут, поэтому его целесообразно использовать в качестве резервного источника питания. По сути ионистор прибор неполярный, единственное, чем определяется его полярность это зарядкой на заводе – изготовителе. Чтобы в дальнейшем эту полярность не перепутать она указывается знаком +.
Большую роль играют условия эксплуатации ионисторов. При температуре 70˚C при напряжении 0,8 от номинального гарантированная долговечность не более 500 часов. Если же прибор будет работать при напряжении 0,6 от номинального, а температура не превысит 40 градусов, то исправная работа возможна в течение 40 000 часов и более.
Наиболее распространенное применение ионистора это источники резервного питания. В основном это микросхемы памяти или электронные часы. В этом случае основным параметром ионистора является малый ток утечки, его саморазряд.
Достаточно перспективным является использование ионисторов совместно с солнечными батареями. Здесь также сказывается некритичность к условию заряда и практически неограниченное число циклов заряд-разряд. Еще одно ценное свойство в том, что ионистор не нуждается в обслуживании.
Пока получилось рассказать, как и где работают электролитические конденсаторы, причем, в основном в цепях постоянного тока. О работе конденсаторов в цепях переменного тока будет рассказано в другой статье — Конденсаторы для электроустановок переменного тока.
- Как устроены и работают новогодние гирлянды
- Применение светодиодов в электронных схемах
- Стабилизированные источники питания
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Интересные факты, Практическая электроника
Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика
Поделитесь этой статьей с друзьями:
