Curentul continuu printr-un condensator. De ce un condensator nu trece curentul continuu, dar permite trecerea curentului alternativ? Reactanța condensatorului

De ce un condensator nu trece curentul continuu, dar permite trecerea curentului alternativ?

Un condensator nu trece curentul; se poate încărca și descărca
La curent continuu, condensatorul se încarcă o dată și apoi devine inutil în circuit.
Pe un curent pulsatoriu, atunci când tensiunea crește, se încarcă (acumulează energie electrică), iar când tensiunea de la nivelul maxim începe să scadă, returnează energie în rețea, stabilizând în același timp tensiunea.
Pe curent alternativ, când tensiunea crește de la 0 la maxim, condensatorul se încarcă, când scade de la maxim la 0, se descarcă, returnând energia înapoi în rețea, când se schimbă polaritatea, totul se întâmplă exact la fel dar cu o polaritate diferită. .
Curentul curge doar atâta timp cât condensatorul se încarcă.
Într-un circuit de curent continuu, condensatorul se încarcă relativ repede, după care curentul scade și practic se oprește.
Într-un circuit de curent alternativ, condensatorul este încărcat, apoi tensiunea își schimbă polaritatea, începe să se descarce și apoi se încarcă în direcția opusă etc. - curentul curge constant.
Ei bine, imaginați-vă un borcan în care puteți turna apă doar până se umple. Dacă tensiunea este constantă, banca se va umple și apoi curentul se va opri. Și dacă tensiunea este variabilă, în borcan se toarnă apă - se toarnă - se umple etc.
condensatorul funcționează atât în curent alternativ, cât și în curent continuu, deoarece este încărcat în curent continuu și nu poate transfera acea energie nicăieri; pentru aceasta, o ramură inversă este conectată la circuit printr-un comutator pentru a schimba polaritatea pentru a o descărca și face loc pentru una noua portiuni, care nu alterneaza pe rotatie, candrumul se incarca si se descarca datorita schimbarii polaritatilor....
Multumesc baieti pentru informatiile minunate!!!
în termeni pur fizici: un condensator este o întrerupere a circuitului, deoarece garniturile sale nu se ating între ele, există un dielectric între ele. și după cum știm, dielectricii nu conduc electricitatea. prin urmare, curentul continuu nu trece prin el.
Cu toate că.. .
Un condensator dintr-un circuit DC poate conduce curentul în momentul în care este conectat la circuit (are loc încărcarea sau reîncărcarea condensatorului); la sfârșitul procesului tranzitoriu, nu trece curent prin condensator, deoarece plăcile sale sunt separate printr-un dielectric. Într-un circuit de curent alternativ, acesta conduce oscilații de curent alternativ prin reîncărcarea ciclică a condensatorului.
iar pentru curent alternativ, condensatorul face parte din circuitul oscilant. joacă rolul unui dispozitiv de stocare a energiei electrice și, în combinație cu o bobină, coexistă perfect, transformând energia electrică în energie magnetică și înapoi la o viteză/frecvență egală cu propria lor omega = 1/sqrt(C*L)
exemplu: un astfel de fenomen precum fulgerul. Cred că am auzit. deși acesta este un exemplu prost, încărcarea are loc acolo prin electrificare, din cauza frecării aerului atmosferic pe suprafața pământului. dar defectarea întotdeauna, ca într-un condensator, are loc numai atunci când este atinsă așa-numita tensiune de avarie.
Nu stiu daca te-a ajutat asta :)
Un condensator nu permite curentului să treacă prin el însuși. Condensatorul acumulează mai întâi sarcini pe plăcile sale - pe o placă există un exces de electroni, pe cealaltă există o lipsă - și apoi le cedează, ca urmare, în circuitul extern, electronii merg înainte și înapoi - funcționează departe de o farfurie, alergați la a doua, apoi înapoi. Adică, mișcarea electronilor înainte și înapoi în circuitul extern este asigurată; curentul curge în el - dar nu în interiorul condensatorului.
Câți electroni poate accepta o placă de condensator la o tensiune de un volt se numește capacitatea condensatorului, dar de obicei se măsoară nu în trilioane de electroni, ci în unități convenționale de capacitate - farazi (microfarads, picofarads).
Când se spune că curentul trece printr-un condensator, aceasta este pur și simplu o simplificare. Totul se întâmplă ca și cum curentul ar curge prin condensator, deși, de fapt, curentul curge doar din exteriorul condensatorului.
Dacă ne aprofundăm în fizică, redistribuirea energiei în câmp între plăcile unui condensator se numește curent de deplasare, spre deosebire de curentul de conducție, care este mișcarea sarcinilor, dar curentul de deplasare este un concept din electrodinamică asociat cu ecuațiile lui Maxwell. , un cu totul alt nivel de abstractizare.

Un condensator (capac) este o „baterie” mică care se încarcă rapid atunci când există tensiune în jurul său și se descarcă rapid înapoi atunci când nu există suficientă tensiune pentru a menține o încărcare.

Caracteristica principală a unui condensator este capacitatea sa. Este indicat prin simbol C, unitatea sa de măsură este Farad. Cu cât capacitatea este mai mare, cu atât condensatorul poate menține mai multă sarcină la o anumită tensiune. De asemenea decât Mai mult capacitatea, cel Mai puțin viteza de încărcare și descărcare.

Valori tipice utilizate în microelectronică: de la zeci de picofarads (pF, pF = 0,000000000001 F) la zeci de microfarads (μF, μF = 0,000001). Cele mai comune tipuri de condensatoare sunt ceramice și electrolitice. Cele ceramice au dimensiuni mai mici și au de obicei o capacitate de până la 1 µF; nu le pasă care dintre contacte va fi conectată la plus și care la minus. Condensatoarele electrolitice au capacități de la 100 pF și sunt polari: un contact specific trebuie conectat la pozitiv. Piciorul corespunzător plusului se face mai lung.

Un condensator este format din două plăci separate printr-un strat dielectric. Plăcile acumulează sarcină: una este pozitivă, cealaltă este negativă; creând astfel tensiune în interior. Dielectricul izolator împiedică transformarea tensiunii interne în curent intern, care ar egaliza plăcile.

Încărcare și descărcare

Luați în considerare această diagramă:

În timp ce comutatorul este în poziția 1, tensiunea este creată pe condensator - se încarcă. Încărca Q pe placă la un anumit moment în timp se calculează prin formula:

C- capacitate, e- exponent (constant ≈ 2,71828), t- timpul de la începutul încărcării. Sarcina de pe a doua placă este întotdeauna exact aceeași ca valoare, dar cu semnul opus. Dacă rezistorul Rîndepărtați, va rămâne doar o mică rezistență a firelor (aceasta va deveni valoarea R) și încărcarea va avea loc foarte rapid.

Prin trasarea funcției pe un grafic, obținem următoarea imagine:

După cum puteți vedea, sarcina nu crește uniform, ci invers exponențial. Acest lucru se datorează faptului că, pe măsură ce sarcina se acumulează, aceasta creează din ce în ce mai multă tensiune inversă V c, care „rezistă” V în.

Totul se termină cu asta V c devine egală ca valoare V în iar curentul nu mai curge cu totul. În acest moment se spune că condensatorul a atins punctul de saturație (echilibru). Încărcarea ajunge la maxim.

Amintindu-ne de Legea lui Ohm, putem descrie dependența curentului din circuitul nostru atunci când încărcăm un condensator.

Acum că sistemul este în echilibru, puneți comutatorul în poziția 2.

Plăcile condensatoarelor au sarcini de semne opuse, creează tensiune - apare un curent prin sarcină (Load). Curentul va curge în direcția opusă față de direcția sursei de alimentare. Descărcarea se va produce și în sens invers: la început încărcarea se va pierde rapid, apoi, cu o scădere a tensiunii creată de aceasta, din ce în ce mai lent. Dacă pentru Q 0 desemnați sarcina care a fost inițial pe condensator, apoi:

Aceste valori de pe grafic arată astfel:

Din nou, după un timp, sistemul va ajunge într-o stare de repaus: toată încărcarea se va pierde, tensiunea va dispărea și fluxul de curent se va opri.

Dacă utilizați din nou comutatorul, totul va începe într-un cerc. Deci condensatorul nu face altceva decât să rupă circuitul când tensiunea este constantă; și „funcționează” când tensiunea se schimbă brusc. Această proprietate determină când și cum este utilizată în practică.

Aplicare în practică

Printre cele mai comune în microelectronică sunt următoarele modele:

Condensator de rezervă (capac de bypass) - pentru a reduce ondulațiile de tensiune de alimentare

Filtru condensator - pentru a separa componentele de tensiune constantă și în schimbare, pentru a izola semnalul

Condensator de rezerva

Multe circuite sunt proiectate pentru a oferi o putere constantă și stabilă. De exemplu, 5 V. Sursa de alimentare le furnizează. Dar sistemele ideale nu există și, în cazul unei schimbări bruște a consumului de curent al dispozitivului, de exemplu, atunci când o componentă este pornită, sursa de alimentare nu are timp să „reacționeze” instantaneu și pe termen scurt. are loc căderea de tensiune. În plus, în cazurile în care firul de la sursa de alimentare la circuit este suficient de lung, acesta începe să acționeze ca o antenă și, de asemenea, introduce zgomot nedorit în nivelul de tensiune.

De obicei, abaterea de la tensiunea ideală nu depășește o miime de volt, iar acest fenomen este absolut nesemnificativ atunci când vine vorba de alimentarea, de exemplu, a LED-urilor sau a unui motor electric. Dar în circuitele logice, în care comutarea între zero logic și unul logic are loc pe baza modificărilor tensiunilor mici, zgomotul sursei de alimentare poate fi confundat cu un semnal, ceea ce va duce la comutare incorectă, care, ca un efect de domino, va pune sistemul. într-o stare imprevizibilă.

Pentru a preveni astfel de defecțiuni, un condensator de rezervă este plasat direct în fața circuitului

În momentele în care tensiunea este plină, condensatorul este încărcat până la saturație și devine o sarcină de rezervă. De îndată ce nivelul de tensiune pe linie scade, condensatorul de rezervă acționează ca o baterie rapidă, eliberând încărcătura acumulată anterior pentru a umple golul până când situația revine la normal. O astfel de asistență la sursa principală de alimentare apare de un număr mare de ori în fiecare secundă.

Dacă gândim din alt punct de vedere: condensatorul extrage componenta alternativă din tensiunea continuă și, trecând prin el însuși, o duce de la linia de alimentare la pământ. Acesta este motivul pentru care condensatorul de rezervă este numit și „condensator bypass”.

Ca rezultat, tensiunea netezită arată astfel:

Condensatoarele tipice care sunt utilizate în aceste scopuri sunt condensatoarele ceramice cu o valoare nominală de 10 sau 100 nF. Celulele electrolitice mari sunt prost potrivite pentru acest rol, deoarece sunt mai lente și nu își vor putea elibera rapid încărcarea în aceste condiții, unde zgomotul este de înaltă frecvență.

Într-un singur dispozitiv, condensatorii de rezervă pot fi prezenți în multe locuri: în fața fiecărui circuit, care este o unitate independentă. De exemplu, Arduino are deja condensatori de rezervă care asigură funcționarea stabilă a procesorului, dar înainte de a alimenta ecranul LCD conectat la acesta, trebuie să-l instalezi pe al tău.

Filtru condensator

Un condensator de filtru este folosit pentru a elimina semnalul de la senzor, care îl transmite sub forma unei tensiuni variabile. Exemple de astfel de senzori sunt un microfon sau o antenă Wi-Fi activă.

Să ne uităm la schema de conectare pentru un microfon electret. Microfonul electret este cel mai comun și omniprezent: acesta este tipul utilizat în telefoanele mobile, accesoriile pentru computer și sistemele de adresare publică.

Microfonul necesită alimentare pentru a funcționa. În stare de tăcere, rezistența sa este mare și se ridică la zeci de kiloohmi. Când este expus la sunet, poarta tranzistorului cu efect de câmp construit în interior se deschide și microfonul își pierde rezistența internă. Pierderea și restabilirea rezistenței are loc de multe ori în fiecare secundă și corespunde fazei undei sonore.

La ieșire, ne interesează doar tensiunea în acele momente în care există sunet. Dacă nu ar exista condensator C, ieșirea ar fi întotdeauna afectată suplimentar de tensiunea de alimentare constantă. C blochează această componentă constantă și permite trecerea numai a abaterilor, care corespund sunetului.

Sunetul audibil, care ne interesează, este în intervalul de frecvență joasă: 20 Hz - 20 kHz. Pentru a izola semnalul sonor de tensiune, și nu zgomotul de putere de înaltă frecvență, ca C Se folosește un condensator electrolitic lent de 10 µF. Dacă s-ar folosi un condensator rapid, să zicem 10 nF, semnalele non-audio ar trece la ieșire.

Rețineți că semnalul de ieșire este furnizat ca tensiune negativă. Adică, atunci când ieșirea este conectată la masă, curentul va curge de la sol la ieșire. Valorile de vârf ale tensiunii în cazul unui microfon sunt de zeci de milivolți. Pentru a inversa tensiunea și a crește valoarea acesteia, ieșirea Vout de obicei conectat la un amplificator operațional.

Conectarea condensatoarelor

În comparație cu conexiunea rezistențelor, calculul valorii finale a condensatoarelor arată invers.

Când este conectat în paralel, capacitatea totală se însumează:

Când este conectat în serie, capacitatea finală este calculată folosind formula:

Dacă există doar doi condensatori, atunci cu o conexiune în serie:

În cazul particular a doi condensatori identici, capacitatea totală a conexiunii în serie este egală cu jumătate din capacitatea fiecăruia.

Caracteristici limită

Documentația pentru fiecare condensator indică tensiunea maximă admisă. Depășirea acestuia poate duce la defectarea dielectricului și la explozia condensatorului. Pentru condensatoarele electrolitice, polaritatea trebuie respectată. În caz contrar, fie electrolitul se va scurge, fie va avea loc din nou o explozie.

În toate dispozitivele de inginerie radio și electronice, pe lângă tranzistoare și microcircuite, sunt utilizați condensatori. Unele circuite au mai multe, altele au mai puține, dar practic nu există circuit electronic fără condensatori.

În același timp, condensatoarele pot îndeplini o varietate de sarcini în dispozitive. În primul rând, acestea sunt capacități în filtrele redresoarelor și stabilizatorilor. Folosind condensatoare, un semnal este transmis între treptele amplificatorului, sunt construite filtre de trecere joasă și înaltă, intervalele de timp sunt stabilite în întârzieri de timp și este selectată frecvența de oscilație în diverse generatoare.

Condensatorii își au originea în , care a fost folosit de omul de știință olandez Pieter van Musschenbroeck în experimentele sale de la mijlocul secolului al XVIII-lea. A locuit în orașul Leiden, așa că nu este greu de ghicit de ce acest borcan a fost numit așa.

De fapt, era un borcan obișnuit de sticlă, căptușit în interior și în exterior cu folie de staniol - staniol. A fost folosit în aceleași scopuri ca aluminiul modern, dar aluminiul nu fusese încă descoperit.

Singura sursă de electricitate în acele vremuri era un electrofor, capabil să dezvolte tensiuni de până la câteva sute de kilovolți. Aici a fost încărcat borcanul din Leyden. Manualele de fizică descriu un caz în care Muschenbroek și-a descărcat cutia printr-un lanț de zece paznici care se țineau de mână.

La acea vreme, nimeni nu știa că consecințele ar putea fi tragice. Lovitura a fost destul de sensibilă, dar nu fatală. Nu s-a ajuns la asta, deoarece capacitatea borcanului Leyden era nesemnificativă, pulsul a fost foarte scurt, astfel încât puterea de descărcare a fost scăzută.

Cum funcționează un condensator?

Designul unui condensator nu este practic diferit de un borcan Leyden: aceleași două plăci separate de un dielectric. Exact așa sunt reprezentați condensatorii pe diagramele electrice moderne. Figura 1 prezintă un proiect schematic al unui condensator plat și formula pentru calculul acestuia.

Figura 1. Proiectarea unui condensator cu plăci paralele

Aici S este aria plăcilor în metri pătrați, d este distanța dintre plăci în metri, C este capacitatea în farazi, ε este constanta dielectrică a mediului. Toate cantitățile incluse în formulă sunt indicate în sistemul SI. Această formulă este valabilă pentru cel mai simplu condensator plat: pur și simplu puteți așeza două plăci metalice una lângă alta, din care se trag concluzii. Aerul poate servi ca dielectric.

Din această formulă se poate înțelege că, cu cât aria plăcilor este mai mare și distanța dintre ele este mai mică, cu atât capacitatea condensatorului este mai mare. Pentru condensatoarele cu o geometrie diferită, formula poate fi diferită, de exemplu, pentru capacitatea unui singur conductor sau. Dar dependența capacității de aria plăcilor și distanța dintre ele este aceeași cu cea a unui condensator plat: cu cât aria este mai mare și distanța mai mică, cu atât capacitatea este mai mare.

De fapt, plăcile nu sunt întotdeauna făcute plate. Pentru mulți condensatori, de exemplu condensatori metal-hârtie, plăcile sunt folii de aluminiu laminate împreună cu un dielectric de hârtie într-o minge strânsă, în formă de carcasă metalică.

Pentru a crește rezistența electrică, hârtia subțire de condensator este impregnată cu compuși izolatori, cel mai adesea ulei de transformator. Acest design face posibilă realizarea de condensatoare cu o capacitate de până la câteva sute de microfarad. Condensatorii funcționează aproape în același mod cu alți dielectrici.

Formula nu conține nicio restricție privind aria plăcilor S și distanța dintre plăci d. Dacă presupunem că plăcile pot fi distanțate foarte departe și, în același timp, aria plăcilor poate fi făcută foarte mică, atunci o anumită capacitate, deși mică, va rămâne în continuare. Un astfel de raționament sugerează că chiar și doar doi conductori situati unul lângă celălalt au capacitate electrică.

Această împrejurare este utilizată pe scară largă în tehnologia de înaltă frecvență: în unele cazuri, condensatorii sunt fabricați pur și simplu sub formă de piste de circuit imprimat sau chiar doar două fire răsucite împreună în izolație din polietilenă. Un fir de tăiței obișnuit sau un cablu are și o capacitate și crește odată cu creșterea lungimii.

Pe lângă capacitatea C, orice cablu are și o rezistență R. Ambele proprietăți fizice sunt distribuite pe lungimea cablului, iar atunci când transmit semnale de impuls, ele funcționează ca un lanț RC integrator, prezentat în Figura 2.

Figura 2.

În figură, totul este simplu: aici este circuitul, aici este semnalul de intrare și aici este semnalul de ieșire. Impulsul este distorsionat dincolo de recunoaștere, dar acest lucru se face intenționat, motiv pentru care circuitul a fost asamblat. Între timp, vorbim despre efectul capacității cablului asupra semnalului puls. În loc de puls, un „clopot” ca acesta va apărea la celălalt capăt al cablului, iar dacă pulsul este scurt, atunci este posibil să nu ajungă deloc la celălalt capăt al cablului, poate dispărea complet.

Fapt istoric

Aici este destul de potrivit să ne amintim povestea modului în care a fost așezat cablul transatlantic. Prima încercare din 1857 a eșuat: punctele și liniuțele telegrafice (impulsuri dreptunghiulare) au fost distorsionate, astfel încât să nu se poată desluși nimic la celălalt capăt al unei linii lungi de 4.000 km.

O a doua încercare a fost făcută în 1865. În acest moment, fizicianul englez W. Thompson elaborase o teorie a transmiterii datelor pe linii lungi. În lumina acestei teorii, așezarea cablurilor s-a dovedit a fi mai reușită; semnalele au fost primite.

Pentru această ispravă științifică, regina Victoria i-a acordat omului de știință titlul de cavaler și titlul de Lord Kelvin. Acesta a fost numele unui orășel de pe coasta Irlandei, unde a început instalarea cablurilor. Dar acesta este doar un cuvânt și acum să revenim la ultima literă din formulă, și anume, constanta dielectrică a mediului ε.

Un pic despre dielectrici

Acest ε se află în numitorul formulei, prin urmare, creșterea sa va atrage după sine o creștere a capacității. Pentru majoritatea dielectricilor utilizați, cum ar fi aer, lavsan, polietilenă, fluoroplastic, această constantă este aproape aceeași cu cea a vidului. Dar, în același timp, există multe substanțe a căror constantă dielectrică este mult mai mare. Dacă un condensator de aer este umplut cu acetonă sau alcool, capacitatea acestuia va crește de 15...20 de ori.

Dar astfel de substanțe, pe lângă ε ridicat, au și o conductivitate destul de ridicată, așa că un astfel de condensator nu va menține bine încărcarea; se va descărca rapid prin el însuși. Acest fenomen dăunător se numește curent de scurgere. Prin urmare, sunt dezvoltate materiale speciale pentru dielectrice, care fac posibilă furnizarea de curenți de scurgere acceptabili cu o capacitate specifică ridicată a condensatoarelor. Acesta este exact ceea ce explică o astfel de varietate de tipuri și tipuri de condensatoare, fiecare dintre acestea fiind proiectat pentru condiții specifice.

Au cea mai mare capacitate specifică (raport capacitate/volum). Capacitatea „electroliților” ajunge până la 100.000 uF, tensiune de funcționare până la 600V. Astfel de condensatoare funcționează bine numai la frecvențe joase, cel mai adesea în filtrele de alimentare. Condensatoarele electrolitice sunt conectate cu polaritatea corectă.

Electrozii din astfel de condensatoare sunt o peliculă subțire de oxid de metal, motiv pentru care acești condensatori sunt adesea numiți condensatori de oxid. Un strat subțire de aer între astfel de electrozi nu este un izolator foarte fiabil, așa că se introduce un strat de electrolit între plăcile de oxid. Cel mai adesea acestea sunt soluții concentrate de acizi sau alcaline.

Figura 3 prezintă un astfel de condensator.

Figura 3. Condensatorul electrolitic

Pentru a estima dimensiunea condensatorului, lângă el a fost fotografiată o simplă cutie de chibrituri. Pe lângă capacitatea destul de mare, în figură se poate vedea și toleranța ca procent: nu mai puțin de 70% din nominal.

În acele vremuri când computerele erau mari și erau numite computere, astfel de condensatori se aflau în unități de disc (în HDD-ul modern). Capacitatea de informare a unor astfel de unități nu poate provoca acum decât un zâmbet: 5 megaocteți de informații au fost stocați pe două discuri cu un diametru de 350 mm, iar dispozitivul în sine cântărea 54 kg.

Scopul principal al supercondensatorilor afișați în figură a fost acela de a îndepărta capetele magnetice din zona de lucru a discului în timpul unei întreruperi bruște de curent. Astfel de condensatoare ar putea stoca o încărcare timp de câțiva ani, ceea ce a fost testat în practică.

Mai jos, vă vom sugera să faceți câteva experimente simple cu condensatoare electrolitice pentru a înțelege ce poate face un condensator.

Condensatoarele electrolitice nepolare sunt produse pentru funcționarea în circuite de curent alternativ, dar din anumite motive sunt foarte greu de obținut. Pentru a rezolva cumva această problemă, „electroliții” polari convenționali sunt porniți contra-secvențial: plus-minus-minus-plus.

Dacă un condensator electrolitic polar este conectat la un circuit de curent alternativ, acesta se va încălzi mai întâi și apoi va avea loc o explozie. Condensatoarele vechi domestice împrăștiate în toate direcțiile, în timp ce cele importate au un dispozitiv special care le permite să evite loviturile puternice. De regulă, aceasta este fie o crestătură încrucișată pe partea inferioară a condensatorului, fie o gaură cu un dop de cauciuc situat acolo.

Chiar nu le plac condensatoarele electrolitice de înaltă tensiune, chiar dacă polaritatea este corectă. Prin urmare, nu ar trebui să puneți niciodată „electroliți” într-un circuit în care este de așteptat o tensiune apropiată de maximul pentru un anumit condensator.

Uneori, în unele forumuri, chiar de renume, începătorii pun întrebarea: „Diagrama arată un condensator de 470µF * 16V, dar am 470µF * 50V, îl pot instala?” Da, desigur că puteți, dar înlocuirea inversă este inacceptabilă.

Condensatorul poate stoca energie

O diagramă simplă prezentată în Figura 4 vă va ajuta să înțelegeți această afirmație.

Figura 4. Circuit cu condensator

Caracterul principal al acestui circuit este un condensator electrolitic C cu o capacitate suficient de mare, astfel încât procesele de încărcare și descărcare să decurgă lent și chiar foarte clar. Acest lucru face posibilă observarea vizuală a funcționării circuitului folosind un bec obișnuit pentru lanternă. Aceste lanterne au făcut loc de mult timp celor moderne cu LED-uri, dar becurile pentru ele sunt încă vândute. Prin urmare, este foarte simplu să asamblați un circuit și să efectuați experimente simple.

Poate cineva va spune: „De ce? La urma urmei, totul este evident, dar dacă citești și descrierea...” Se pare că nu există nimic de obiectat aici, dar orice, chiar și cel mai simplu lucru, rămâne mult timp în cap dacă înțelegerea lui a venit prin mâini.

Deci, circuitul este asamblat. Cum functioneazã?

În poziția comutatorului SA prezentată în diagramă, condensatorul C este încărcat de la sursa de alimentare GB prin rezistorul R din circuit: +GB __ R __ SA __ C __ -GB. Curentul de încărcare din diagramă este indicat de o săgeată cu indicele iз. Procesul de încărcare a condensatorului este prezentat în Figura 5.

Figura 5. Procesul de încărcare a condensatorului

Figura arată că tensiunea pe condensator crește de-a lungul unei linii curbe, numită exponențial în matematică. Curentul de încărcare reflectă direct tensiunea de încărcare. Pe măsură ce tensiunea pe condensator crește, curentul de încărcare devine mai mic. Și numai în momentul inițial corespunde formulei prezentate în figură.

După ceva timp, condensatorul se va încărca de la 0V la tensiunea sursei de alimentare, în circuitul nostru până la 4,5V. Întrebarea este cum să determinăm acest timp, cât să așteptați, când se va încărca condensatorul?

Constanta de timp „tau” τ = R*C

Această formulă înmulțește pur și simplu rezistența și capacitatea unui rezistor și condensator conectate în serie. Dacă, fără a neglija sistemul SI, înlocuim rezistența în Ohmi și capacitatea în Farads, atunci rezultatul se va obține în secunde. Acesta este timpul necesar pentru ca condensatorul să se încarce la 36,8% din tensiunea sursei de alimentare. În consecință, încărcarea la aproape 100% va necesita un timp de 5* τ.

Adesea, neglijând sistemul SI, ei înlocuiesc rezistența în ohmi și capacitatea în microfarad în formulă, apoi timpul va fi în microsecunde. În cazul nostru, este mai convenabil să obțineți rezultatul în secunde, pentru care pur și simplu trebuie să înmulțiți microsecundele cu un milion sau, mai simplu, să mutați virgula zecimală șase locuri la stânga.

Pentru circuitul prezentat în figura 4, cu o capacitate a condensatorului de 2000 μF și o rezistență a rezistenței de 500 Ω, constanta de timp va fi τ = R*C = 500 * 2000 = 1.000.000 de microsecunde sau exact o secundă. Astfel, va trebui să așteptați aproximativ 5 secunde până când condensatorul este complet încărcat.

Dacă, după timpul specificat, comutatorul SA este mutat în poziția corectă, condensatorul C se va descărca prin becul EL. În acest moment va fi o clipire scurtă, condensatorul se va descărca și lumina se va stinge. Direcția de descărcare a condensatorului este indicată de o săgeată cu indicele ip. Timpul de descărcare este determinat și de constanta de timp τ. Graficul de descărcare este prezentat în Figura 6.

Figura 6. Graficul de descărcare a condensatorului

Condensatorul nu trece curent continuu

O diagramă și mai simplă prezentată în Figura 7 vă va ajuta să verificați această afirmație.

Figura 7. Circuit cu un condensator într-un circuit DC

Dacă închideți comutatorul SA, becul va clipi scurt, indicând că condensatorul C s-a încărcat prin bec. Graficul de încărcare este prezentat și aici: în momentul în care comutatorul este închis, curentul este maxim, pe măsură ce condensatorul este încărcat, acesta scade, iar după un timp se oprește complet.

Dacă condensatorul este de bună calitate, de ex. cu un curent de scurgere scăzut (autodescărcare), închiderea repetată a comutatorului nu va duce la un fulger. Pentru a obține un alt blitz, condensatorul va trebui să fie descărcat.

Condensator în filtrele de putere

Condensatorul este de obicei plasat după redresor. Cel mai adesea, redresoarele sunt realizate cu undă completă. Cele mai comune circuite redresoare sunt prezentate în Figura 8.

Figura 8. Circuite redresoare

Redresoarele cu jumătate de undă sunt, de asemenea, folosite destul de des, de regulă, în cazurile în care puterea de sarcină este nesemnificativă. Cea mai valoroasă calitate a unor astfel de redresoare este simplitatea lor: o singură diodă și o înfășurare a transformatorului.

Pentru un redresor cu undă completă, capacitatea condensatorului filtrului poate fi calculată folosind formula

C = 1000000 * Po / 2*U*f*dU, unde C este capacitatea condensatorului μF, Po este puterea de sarcină W, U este tensiunea la ieșirea redresorului V, f este frecvența alternantei tensiunea Hz, dU este amplitudinea ondulației V.

Numărul mare din numărătorul 1.000.000 convertește capacitatea condensatorului din Farad de sistem în microfarad. Cele două din numitor reprezintă numărul de semicicluri ale redresorului: pentru un redresor cu jumătate de undă, va apărea unul în locul său

C = 1000000 * Po / U*f*dU,

iar pentru un redresor trifazat formula va lua forma C = 1000000 * Po / 3*U*f*dU.

Supercondensator - ionistor

Recent, a apărut o nouă clasă de condensatoare electrolitice, așa-numita. În proprietățile sale este similar cu o baterie, deși cu mai multe limitări.

Ionistorul este încărcat la tensiunea nominală într-un timp scurt, literalmente în câteva minute, așa că este recomandabil să îl utilizați ca sursă de alimentare de rezervă. De fapt, ionistorul este un dispozitiv nepolar; singurul lucru care îi determină polaritatea este încărcarea de la producător. Pentru a preveni confundarea acestei polarități în viitor, este indicată cu semnul +.

Condițiile de funcționare ale ionistorilor joacă un rol important. La o temperatură de 70˚C la o tensiune de 0,8 din tensiunea nominală, durabilitatea garantată nu este mai mare de 500 de ore. Dacă dispozitivul funcționează la o tensiune de 0,6 din tensiunea nominală, iar temperatura nu depășește 40 de grade, atunci funcționarea corectă este posibilă timp de 40.000 de ore sau mai mult.

Cea mai comună aplicație a unui ionistor este în sursele de alimentare de rezervă. Acestea sunt în principal cipuri de memorie sau ceasuri electronice. În acest caz, parametrul principal al ionistorului este curentul de scurgere scăzut, autodescărcarea acestuia.

Utilizarea ionistorilor împreună cu bateriile solare este destul de promițătoare. Acest lucru se datorează și lipsei de criticitate a condițiilor de încărcare și numărului practic nelimitat de cicluri de încărcare-descărcare. O altă proprietate valoroasă este că ionistorul nu necesită întreținere.

Până acum am reușit să vă spun cum și unde funcționează condensatorii electrolitici, în principal în circuitele DC. Funcționarea condensatoarelor în circuitele de curent alternativ va fi discutată într-un alt articol -.

Tensiune constantă și setați tensiunea pe crocodilii lui la 12 volți. Luăm și un bec de 12 volți. Acum introducem un condensator între o sondă a sursei de alimentare și bec:

Nu, nu arde.

Dar dacă o faci direct, se aprinde:

Aceasta duce la concluzia: Curentul DC nu trece prin condensator!

Sincer să fiu, chiar în momentul inițial al aplicării tensiunii, curentul încă curge pentru o fracțiune de secundă. Totul depinde de capacitatea condensatorului.

Condensator în circuitul de curent alternativ

Deci, pentru a afla dacă curentul AC trece prin condensator, avem nevoie de un alternator. Cred că acest generator de frecvență se va descurca bine:

Deoarece generatorul meu chinezesc este foarte slab, în loc de încărcarea unui bec, vom folosi unul simplu de 100 ohmi. Să luăm și un condensator cu o capacitate de 1 microfarad:

Lipim așa ceva și trimitem un semnal de la generatorul de frecvență:

Apoi se apucă de treabă. Ce este un osciloscop și pentru ce este folosit, citiți aici. Vom folosi două canale deodată. Două semnale vor fi afișate simultan pe un ecran. Aici pe ecran puteți vedea deja interferențe de la rețeaua de 220 de volți. Nu acorda atentie.

Vom aplica tensiune alternativă și vom urmări semnalele, așa cum spun inginerii electronici profesioniști, la intrare și la ieșire. Simultan.

Totul va arăta cam așa:

Deci, dacă frecvența noastră este zero, atunci aceasta înseamnă curent constant. După cum am văzut deja, condensatorul nu permite trecerea curentului continuu. Acest lucru pare să fi fost rezolvat. Dar ce se întâmplă dacă aplicați o sinusoidă cu o frecvență de 100 Herți?

Pe afișajul osciloscopului am afișat parametri precum frecvența și amplitudinea semnalului: F este frecventa Ma – amplitudine (acești parametri sunt marcați cu o săgeată albă). Primul canal este marcat cu roșu, iar al doilea canal cu galben, pentru ușurință de percepție.

Unda sinusoidală roșie arată semnalul pe care ni-l dă generatorul de frecvență chinezesc. Unda sinusoidală galbenă este ceea ce primim deja la sarcină. În cazul nostru, sarcina este un rezistor. Ei bine, asta-i tot.

După cum puteți vedea în oscilograma de mai sus, furnizez un semnal sinusoidal de la generator cu o frecvență de 100 Herți și o amplitudine de 2 Volți. Pe rezistor vedem deja un semnal cu aceeași frecvență (semnal galben), dar amplitudinea lui este de aproximativ 136 milivolți. Mai mult decât atât, semnalul s-a dovedit a fi oarecum „șurubat”. Acest lucru se datorează așa-numitului „“. Zgomotul este un semnal cu amplitudine mică și modificări aleatorii ale tensiunii. Poate fi cauzată de elementele radio în sine sau poate fi, de asemenea, interferențe care sunt captate din spațiul înconjurător. De exemplu, un rezistor „face zgomot” foarte bine. Aceasta înseamnă că „așezarea” semnalului este suma unei sinusoide și a zgomotului.

Amplitudinea semnalului galben a devenit mai mică și chiar și graficul semnalului galben se deplasează spre stânga, adică este înaintea semnalului roșu, sau în limbaj științific, se pare schimbare de fază. Faza este cea care este înainte, nu semnalul în sine. Dacă semnalul în sine ar fi fost înainte, atunci am avea semnalul de pe rezistor să apară în timp mai devreme decât semnalul aplicat acestuia prin condensator. Rezultatul ar fi un fel de călătorie în timp :-), ceea ce, desigur, este imposibil.

Schimbarea de fază- Acest diferența dintre fazele inițiale a două mărimi măsurate. În acest caz, tensiune. Pentru a măsura schimbarea de fază, trebuie să existe o condiție ca aceste semnale aceeasi frecventa. Amplitudinea poate fi orice. Figura de mai jos arată chiar această schimbare de fază sau, așa cum este numită, diferenta de faza:

Să creștem frecvența generatorului la 500 Herți

Rezistorul a primit deja 560 de milivolți. Defazatul scade.

Creștem frecvența la 1 KiloHertz

La ieșire avem deja 1 Volt.

Setați frecvența la 5 Kiloherți

Amplitudinea este de 1,84 volți, iar defazarea este clar mai mică

Creșteți la 10 Kiloherți

Amplitudinea este aproape aceeași ca la intrare. Schimbarea de fază este mai puțin vizibilă.

Am stabilit 100 Kilohertzi:

Nu există aproape nicio schimbare de fază. Amplitudinea este aproape aceeași ca la intrare, adică 2 volți.

De aici tragem concluzii profunde:

Cu cât frecvența este mai mare, cu atât condensatorul are mai puțină rezistență la curentul alternativ. Schimbarea de fază scade odată cu creșterea frecvenței până la aproape zero. La frecvențe infinit de joase magnitudinea sa este de 90 de grade sauπ/2 .

Dacă trasați o porțiune a graficului, veți obține ceva de genul acesta:

Am trasat tensiunea pe verticală și frecvența pe orizontală.

Deci, am învățat că rezistența unui condensator depinde de frecvență. Dar depinde doar de frecvență? Să luăm un condensator cu o capacitate de 0,1 microfarad, adică o valoare nominală de 10 ori mai mică decât precedentul, și să-l rulăm din nou la aceleași frecvențe.

Să ne uităm și să analizăm valorile:

Comparați cu atenție valorile de amplitudine ale semnalului galben la aceeași frecvență, dar cu valori diferite ale condensatorului. De exemplu, la o frecvență de 100 Herți și un condensator de 1 μF, amplitudinea semnalului galben a fost de 136 milivolți, iar la aceeași frecvență, amplitudinea semnalului galben, dar cu un condensator de 0,1 μF, era deja 101 milivolți (în realitate, chiar mai puțin din cauza interferențelor). La o frecvență de 500 Hertz - 560 milivolți și, respectiv, 106 milivolți, la o frecvență de 1 Kiloherți - 1 Volt și 136 milivolți și așa mai departe.

De aici concluzia sugerează de la sine: Pe măsură ce valoarea unui condensator scade, rezistența acestuia crește.

Folosind transformări fizice și matematice, fizicienii și matematicienii au derivat o formulă pentru calcularea rezistenței unui condensator. Vă rugăm să iubiți și să respectați:

Unde, X C este rezistența condensatorului, Ohm

P - constantă și este egală cu aproximativ 3,14

F– frecvența, măsurată în Herți

CU– capacitatea, măsurată în Farads

Deci, puneți frecvența în această formulă la zero Herți. O frecvență de zero Hertz este curent continuu. Ce se va intampla? 1/0=rezistență infinită sau foarte mare. Pe scurt, un circuit rupt.

Concluzie

Privind în viitor, pot spune că în acest experiment am obținut (filtru trece-înalt). Folosind un simplu condensator și un rezistor și aplicând un astfel de filtru difuzorului undeva în echipamentul audio, vom auzi doar tonuri înalte scârțâitoare în difuzor. Dar frecvența basului va fi atenuată de un astfel de filtru. Dependența rezistenței condensatorului de frecvență este utilizată pe scară largă în electronica radio, în special în diverse filtre unde este necesar să se suprima o frecvență și să treacă pe alta.