Постоянный ток через конденсатор. Электрический конденсатор

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 , 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 . 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.

Рисунок 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.

Наибольшей удельной емкостью (соотношение емкость / объем) обладают . 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 . 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 - .

Это легко подтвердить опытами. Можно зажечь лампочку, присоединив ее к сети переменного тока через конденсатор. Громкоговоритель или телефонные трубки будут продолжать работать, если их присоединить к приемнику не непосредственно, а через конденсатор.

Конденсатор представляет собой две или несколько металлических пластин, разделенных диэлектриком. Этим диэлектриком чаще всего бывает слюда, воздух или керамика, являющиеся наилучшими изоляторами. Вполне естественно, что постоянный ток не может пройти через такой изолятор. Но почему же проходит через него переменный ток? Это кажется тем более странным, что такая же самая керамика в виде, например, фарфоровых роликов прекрасно изолирует провода переменного тока, а слюда прекрасно выполняет функции изолятора в ах, электроутюгах и других нагревательных приборах, исправно работающих от переменного тока.

Посредством некоторых опытов мы могли бы «доказать» еще более странный факт: если в конденсаторе заменить диэлектрик со сравнительно плохими изоляционными свойствами другим диэлектриком, который является лучшим изолятором, то свойства конденсатора изменятся так, что прохождение переменного тока через конденсатор будет не затруднено, а, наоборот, облегчено. Например, если включить лампочку в цепь переменного тока через конденсатор с бумажным диэлектриком и затем заменить бумагу таким прекрасным изолятором; как стекло или фарфор такой же толщины, то лампочка начнет гореть ярче. Подобный опыт позволит прийти к заключению, что переменный ток не только проходят через конденсатор, но что он к тому же проходит тем легче, чем лучшим изолятором является его диэлектрик.

Однако, несмотря на всю кажущуюся убедительность подобных опытов, электрический ток — ни постоянный, ни переменный — через конденсатор не проходит. Диэлектрик, разделяющий пластины конденсатора, служит надежной преградой на пути тока, каким бы он ни был — переменным или постоянным. Но это еще не означает, что тока не будет и во всей той цепи, в которую включен конденсатор.

Конденсатор обладает определенным физическим свойством, которое мы называем емкостью. Это свойство состоит в способности накапливать на обкладках электрические заряды. Источник электрического тока можно грубо уподобить насосу, перекачивающему в цепи электрические заряды. Если ток постоянный, то электрические заряды перекачиваются все время в одну сторону.

Как же будет вести себя в цепи постоянного тока конденсатор?

Наш «электрический насос» будет качать заряды на одну его обкладку и откачивать их с другой обкладки. Способность конденсатора удерживать на своих обкладках (пластинах) определенную разницу количества зарядов и называется его емкостью. Чем больше емкость конденсатора, тем больше электрических зарядов может быть на одной обкладке по сравнению с другой.

В момент включения тока конденсатор не заряжен — количество зарядов на его обкладках одинаково. Но вот ток включен. «Электрический насос» заработал. Он погнал заряды на одну обкладку и начал откачивать их с другой. Раз в цепи началось движение зарядов, значит в ней начал протекать ток. Ток будет течь до тех пор, пока конденсатор не зарядится полностью. По достижении этого предела ток прекратится.

Следовательно, если в цепи постоянного тока есть конденсатор, то после ее замыкания ток в ней будет течь столько времени сколько нужно для полного заряда конденсатора.

Если сопротивление цепи, через которую заряжается конденсатор, сравнительно невелико, то время заряда оказывается очень коротким: оно длится ничтожные доли секунды, после чего течение тока прекращается.

Иное дело в цепи переменного тока. В этой цепи «насос» перекачивает электрические заряды то в одну, то в другую сторону. Едва создав на одной обкладке конденсатора превышение количества зарядов по сравнению с количеством их на другой обкладке, насос начинает перекачивать их в обратно направлении. Заряды будут циркулировать в цепи непрерывно, значит в ней, несмотря на присутствие не проводящего ток конденсатора, будет существовать ток — ток заряда и разряда конденсатора.

От чего будет зависеть величина этого тока?

Под величиной тока мы понимаем количество электрических зарядов, протекающих в единицу времени через поперечное сечение проводника. Чем, больше емкость конденсатора, тем больше зарядов потребуется для его «заполнения», значит тем сильнее будет ток в цепи. Емкость конденсатора зависит от ве-, личины пластин, расстояния между ними и рода разделяющего их диэлектрика, его диэлектрической проницаемости. У фарфора диэлектрическая проницаемсклъ больше, чем у бумаги, поэтому при замене в конденсаторе бумаги фарфором ток в цепи увеличивается, хотя фарфор является лучшим изолятором, чем бумага.

Величина тока зависит также от его частоты. Чем выше частота, тем больше будет ток. Легко понять, почему это происходит, представив себе, что мы наполняем водой через трубку сосуд емкостью, например, 1 л и затем выкачиваем ее оттуда. Если этот процесс будет повторяться 1 раз в секунду, то по трубке в секунду будет проходить 2 л воды: 1 л в одну сторону и 1 л — в другую. Но если мы удвоим частоту^ процесса: будем наполнять и опорожнять сосуд 2 раза в секунду, то по трубке в секунду пройдет уже 4 л воды — увеличение частоты процесса при неизменной емкости сосуда привело к соответствующему увеличению количества воды, протекающей по трубке.

Из всего сказанного можно сделать следующие выводк: электрический ток — ни постоянный, ни переменный — через конденсатор не проходит. Но в цепи, соединяющей источник переменного тока с конденсатором, течет ток заряда и разряда этого конденсатора. Чем больше емкость конденсатора и выше частота тока, тем сильнее будет этот ток.

Эта особенность переменного тока чрезвычайно широко используется в радиотехнике. На ней основано и излучение радиоволн. Для этого мы возбуждаем в передающей антенне высокочастотный переменный ток. Но почему же ток течет в антенне, ведь она не представляет собой замкнутую цепь? Он течет потому, что между проводами антенны и противовеса или землей существует емкость. Ток в антенне представляет собой ток заряда и разряда этой емкости, этого конденсатора.

Почему конденсатор не пропускает постоянный ток, но зато пропускает переменный?

Конденсатор не пропускает ток он может только заряжаться и разряжаться
На постоянном токе конденсатор заряжается 1 раз а дальше становится бесполезным в цепи.
На пульсирующем токе когда напряжение повышается он заряжается (накапливает в себе электрическую энергию) , а когда напряжение от максимального уровня начинает снижаться он возвращает энергию в сеть стабилизируя при этом напряжение.
На переменном токе когда напряжение возрастает от 0 к максимуму конденсатор заряжается, когда снижается от максимума до 0 разряжается возвращая энергию обратно в сеть, когда полярность меняется все происходит точно также но с другой полярностью.
Ток течт только до тех пор, пока конденсатор заряжается.
В цепи постоянного тока конденсатор заряжается сравнительно быстро, после чего ток уменьшается и практически прекращается.
В цепи переменного тока конденсатор заряжается, затем напряжение меняет полярность, он начинает разряжаться, а потом заряжаться в обратную сторону, и т. д. - ток течт постоянно.
Ну представьте себе банку, в которую можно налить воду только до тех пор, пока она не заполнится. Если напряжение постоянное, банка заполнится и после этого ток прекратится. А если напряжение переменное - вода в банку заливается - выливается - заливается и т. д.
конденсатор работает как в переменном токе так и в постоянном, т. к. он заряжается на постоянном токе и не может никуда деть ту энергию, для этого в цепь соединяют через ключ обратную ветвь, для смены полярности, чтобы его разрядить и освободить место для новой порции, неа переменном на оборот, кандр заряжается и разряжается за счет перемены полярностей....
спасибо ребята за классную информацию!!!
в чисто физическом плане: конденсатор - есть развыв цепи, т. к. его прокладки не соприкасаются друг с другом, между ними диэлектрик. а как мы знаем диэлектрики не проводят электричесний ток. поэтому постоянный ток через него и не идт.
хотя.. .
Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора) , по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течет, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора.
а для переменного тока конденсатор является частью колебательного контура. он играет роль накопителя электрической энергии и в сочетаниии с катушкой, они прекрасно сосуществуют, переобразовывая электрическую энегрию в магнитную и обратно со скоростью/частотой равной их собственной omega = 1/sqrt(C*L)
пример: такое явление как молния. думаю слышал. хотя плохой пример, там зарядка происходит через электризацию, изза трения атмосферного воздуха о поверхность земли. но пробой всегда как и в конденсаторе происходит только при достижении так называемого пробивного напряжения.
не знаю, помогло ли тебе это 🙂
Конденсатор на самом деле не пропускает сквозь себя ток. Конденсатор сначала накапливает на своих обкладках заряды - на одной обкладке избыток электронов, на другой недостаток - а потом отдает их, в результате во внешней цепи электроны бегают туда-сюда - с одной обкладки убегают, на вторую прибегают, потом обратно. То есть движение электронов туда-сюда во внешней цепи обеспечивается, в ней идет ток - но не внутри конденсатора.
Сколько электронов может принять обкладка конденсатора при напряжении, в один вольт, называется емкостью конденсатора, но ее обычно измеряют не в триллионах электронов, а в условных единицах емкости - фарадах (микрофарадах, пикофарадах) .
Когда говорят, что ток идет через конденсатор, это просто упрощение. Все происходит так, как будто бы через конденсатор шел ток, хотя на самом деле ток идет только снаружи конденсатора.
Если углубляться в физику, то перераспределение энергии в поле между пластинами конденсатора называют током смещения в отличие от тока проводимости, представляющего собой перемещение зарядов, но ток смещения - это уже понятие из электродинамики, связанное с уравнениями Максвелла, совсем другой уровень абстракции.

Много написано про конденсаторы, стоит ли добавлять еще пару тысяч слов к тем миллионам, что уже есть? Таки добавлю! Верю, что моё изложение принесёт пользу. Ведь оно будет сделано с учётом .

Что такое электрический конденсатор

Если говорить по-русски, то конденсатор можно обозвать "накопитель". Так даже понятнее. Тем более именно так переводится на наш язык это название. Стакан тоже можно обозвать конденсатором. Только он накапливает в себе жидкость. Или мешок. Да, мешок. Оказывается тоже накопитель. Накапливает в себе всё, что мы туда засунем. Причем тут электрический кондесатор? Он такой же как стакан или мешок, но только накапливает электрический заряд.

Представь себе картину: по цепи проходит электрический ток, на его пути встречаются резисторы, проводники и, бац, возник конденсатор (стакан). Что случится? Как ты знаешь, ток -- это поток электронов, а каждый электрон имеет электрический заряд. Таким образом, когда кто-то говорит, что по цепи проходит ток, ты предствляешь себе как по цепи бегут миллионы электронов. Именно вот эти самые электрончики, когда на их пути возникает конденсатор, и накапливаются. Чем больше запихнем в конденсатор электронов, тем больше будет его заряд.

Возникает вопрос, а сколько можно таким образом накопить электронов, сколько влезет в конденсатор и когда он "наестся"? Давай выяснять. Очень часто для упрощенного объяснения простых электрических процессов используют сравнение с водой и трубами. Воспользуемся таким подходом тоже.

Представь, трубу, по которой течет вода. На одном конце трубы насос, который с силой закачивает воду в эту трубу. Затем поперек трубы мысленно поставь резиновую мембрану. Что произойдёт? Мембрана станет растягиваться и напрягаться под действием силы давления воды в трубе (давление создаётся насосом). Она будет растягиваться, растягиваться, растягиваться и в итоге сила упругости мембраны либо уравновесит силу насоса и поток воды остановится, либо мембрана порвётся (Если так непонятно, то представь себе воздушный шарик, который лопнет, если его накачать слишком сильно) ! Тоже самое происходит и в электрических конденсаторах. Только там вместо мембраны используется электрическое поле, которое растёт по мере зарядки конденсатора и постепенно уравновешивает напряжение источника питания.

Таким образом, у конденсатора есть некоторый предельный заряд, который он может накопить и после превышения которого произойдёт пробой диэлектрика в конденсаторе он сломается и перестанет быть конденсатором. Самое время, видимо, рассказать как устроен конденсатор.

Как устроен электрический конденсатор

В школе тебе рассказывали, что конденсатор -- это такая штуковина, которая состоит из двух пластин и пустоты между ними. Пластины эти называли обкладками конденсатора и к ним подключали проводки, чтобы подать напряжение на конденсатор. Так вот современные конденсаторы не сильно отличаются. Они все также имеют обкладки и между обкладками находится диэлектрик. Благодаря наличию диэлектрика улучшаются харктеристики конденсатора. Например, его ёмкость.

В современных конденсаторах используются разные виды диэлектриков (об этом ниже) , которые запихиваются между обкладок конденсаторов самыми изощренными способами для достижения опредлённых характеристик.

Принцип работы

Общий принцип работы достаточно прост: подали напряжение -- заряд накопился. Физические процессы, которые при этом происходят сейчас тебя не сильно должны интересовать, но если захочешь, то можешь об этом прочитать в любой книге по физике в разделе электростатики.

Конденсатор в цепи постоянного тока

Если поместить наш конденсатор в электрическую цепь (рис. ниже), включить последовательно с ним амперметр и подать в цепь постоянный ток, то стрелка амперметра кратковременно дёрнется, а затем замрет и будет показывать 0А -- отсутствие тока в цепи. Что случилось?

Будем считать, что до того, как был подан ток в цепь, конденсатор был пуст (разряжен), а когда подали ток, то он очень быстро стал заряжаться, а когда зарядился (эл. поле между обкладками конденсатора уравновесило источник питания), то ток прекратился (здесь график заряда конденсатора).

Именно поэтому говорят, что конденсатор не пропускает постоянный ток. На самом деле пропускает, но очень короткое время, которое можно посчитать по формуле t = 3*R*C (Время зарядки конденсатора до объёма 95% от номинального. R- сопротивление цепи, C - ёмкость конденсатора) Так конденсатор ведёт себя в цепи постоянного тока. Совсем иначе он себя ведёт в цепи переменного!

Конденсатор в цепи переменного тока

Что такое переменный ток? Это когда электроны "бегут" сначала туда, потом назад. Т.е. направление их движения все время меняется. Тогда, если по цепи с конденсатором побежит переменный ток, то на каждой его обкладке будет скапливаться то "+" заряд, то "-". Т.е. фактически будет протекать переменный ток. А это значит, что переменный ток "беспрепятственно" проходит через конденсатор.

Весь этот процесс можно смоделировать с помощью метода гидравлических аналогий. На картинке ниже аналог цепи переменного тока. Поршень толкает жидкость то вперёд, то назад. Это заставляет крутится крыльчатку вперёд-назад. Получается как бы переменный поток жидкости (читаем переменный ток).

Давай теперь поместим между источником силы (поршнем) и крыльчаткой меодель конденсатора в виде мембраны и проанализируем, что изменится.

Похоже, что ничего не изменится. Как жидкость совершала колебательные движения, так она их и совершает, как из-за этого колебалась крыльчатка, так и будет колебаться. А значит наша мембрана не является препятствием для переменного потока. Также будет и для электронного конденсатора.

Дело в том, что хоть электроны, которые бегут поцепи и не пересекают диэлектрик (мембрану) между обкладками конденсатора, но за пределами конденсатора их движение колебательное (туда-сюда), т.е. протекает переменный ток. Эх!

Таким образом конденсатор пропускает переменный ток и задерживает постоянный. Это очень удобно, когда требуется убрать постоянную составляющую в сигнале, например, на выходе/входе аудиоусилителя или, когда требуется посмотреть только переменную часть сигнала (пульсации на выходе источника постоянного напряжения).

Реактивное сопротивление конденсатора

Конденсатор обладает сопротивлением! В принципе, это можно было предположить уже из того, что через него не проходит постоянный ток, как если бы это был резистор с оооочень большим сопротивлением.

Другое дело ток переменный -- он проходит, но испытывает со стороны конденсатора сопротивление:

f - частота, С - ёмкость конденсатора. Если внимательно посмотреть на формулу, то станет видно, что если ток постоянный, то f = 0 и тогда (да простят меня воинствующие математики!) X c = бесконечность. И постоянного тока через конденсатор нет.

А вот сопротивление переменному току будет менять в зависимости от его частоты и ёмкости конденсатора. Чем больше частота тока и емкость конденсатора, тем меньше сопротивляется он этому току и наоборот. Чем быстрее меняется напряже-
напряжение, тем больше ток через конденсатор, этим и объясняется уменьшение Хс с ростом частоты.

Кстати, ещё одной особенность конденсатора заключается в том, что на нём не выделяется мощность, он не нагревается! Поэтому его иногда используют для гашения напряжения там, где резистор бы задымился. Например для понижения напряжения сети с 220В до 127В. И ещё:

Ток в конденсаторе пропорционален скорости приложенного к его выводам напряжения

Где используются конденсаторы

Да везде где требуются их свойства (не пропускать постоянный ток, умение накапливать электрическую энергию и менять свое сопротивление в зависимости от частоты), в фильтрах, в колебательных контурах, в умножителях напряжения и т.д.

Какие бывают конденсаторы

Промышленность выпускает множество разных видов конденсаторов. Каждый из них обладает опредлёнными преимуществами и недостатками. У одних малый ток утечки, у других большая ёмкость, у третьих что-нибудь ещё. В зависимости от этих показателей и выбирают конденсаторы.

Радиолюбители, особенно как мы -- начинающие -- особо не заморачиваются и ставят, что найдут. Тем не менее следует знать какие основные виды конденсаторов существуют в природе.

На картинке показано весьма условное разделение конденсаторов. Я его составил на свой вкус и нравится оно мне тем, что сразу понятно существуют ли переменные конденсаторы, какие бывают постоянные конденсаторы и какие диэлектрики используются в распространённых конденсаторах. В общем-то всё, что нужно радиолюбителю.

Обладают малым током утечки, малыми габаритами, малой индуктивность, способны работать на высоких частотах и в цепях постоянного, пульсирующего и переменного тока.

Выпускаются в широком диапазоне рабоичх напряжений и ёмкостей: от 2 до 20 000 пФ и в зависимости от исполнения выдерживают напряжение до 30кВ. Но чаще всего ты встретишь керамические конденсаторы с рабочим напряжением до 50В.

Честно скажу не знаю выпускают ли их сейчас. Но раньше в таких конденсаторах в качестве диэлектрика использовалась слюда. А сам конденсатор состоял из пачки слюдяных, на каждой из которых с обеих сторон наносились обкладки, а потом такие платсинки собирались в "пакет" и запаковывались в корпус.

Обычно они имели ёмкость от нескольких тысяч до десятков тысяч пикофорад и работали в диапазоне напряжений от 200 В до 1500 В.

Бумажные конденсаторы

Такие конденсаторы в качестве диэлектрика имеют конденсаторную бумагу, а в качестве обкладок -- алюминиевые полоски. Длинные ленты алюминиевой фольги с проложенной между ними лентой бумаги сворачиваются в рулон и пакуются в корпус. Вот и весь фокус.

Такие конденсаторы бывают ёмкостью от тысяч пикофорад до 30 микрофорад, и могут выдерживать напряжение от 160 до 1500 В.

Поговаривают, что сейчас они ценятся аудиофиалами. Не удивлен -- у них и провода односторонней проводимости бывают...

В принципе обычные кондесаторы с полиэстером в качестве диэлектрика. Разброс ёмкостей от 1 нФ до 15 мФ при рабочем напряжении от 50 В до 1500 В.

У конденсаторов этого типа есть два неоспоримых преимущества. Первое -- можно их делать с очень маленьким допуском всего в 1%. Так что, если на таком написано 100 пФ, то значит его ёмкость 100 пФ +/- 1%. И второе -- это то, что их рабочее напряжение может достигать до 3 кВ (а ёмкость от 100 пФ, до 10 мФ)

Электролитические кондесаторы

Эти конденсаторы отличаются от всех других тем, что их можно включать только цепь постоянного или пульсирующего тока. Они полярные. Имеют плюс и минус. Связано это с их конструкцией. И если такой конденсатор включить наоборот, то он скорее всего вздуется. А раньше они еще и весело, но небезопасно взрывались. Бывают электролитические конденсаторы алюминиевые и танталовые.

Алюминиевые электролитические конденсаторы устроены почти как бумажные с той лишь разницей, что обкладками такого конденсатора являются бумажная и алюминиевые полосы. Бумага пропитана электролитом, а на алюминиевыую полосу нанесен тонкий слой окисла, который и выступает в роли диэлектрика. Если подать на такой конденсатор переменный ток или включить обратно полярностям вывода, то электролит закипает и конденсатор выходит из строя.

Электролитические конденсаторы обладают достаточно большой ёмкостью, благодаря чему их, к примеру, часто используют в выпрямительных цепях.

На этом наверно всё. За кадром остались конденсаторы с диэлектриком из полкарбоната, полистирола и наверно ещё многие другие виды. Но думаю, что это уже будет лишним.

Продолжение следует...

Во второй части я планирую показать примеры типичного использования конденсаторов..

Типовой конденсатор со схемным обозначением «С» относится к категории наиболее распространённых радиокомпонентов, работающих в цепях как переменного, так и постоянного тока. В первом случае он используется как элемент блокировки и ёмкостной нагрузки, а во втором – в качестве фильтрующего звена выпрямительных цепочек с пульсирующим током. Конденсатор в цепи переменного тока выглядит так, как это изображено на рисунке ниже.

В отличие от другого распространённого радиокомпонента, называемого резистором, конденсатор в цепи переменного тока вносит в неё реактивную составляющую, что приводит к образованию сдвига фаз между приложенной ЭДС и вызванным ею током. Ознакомимся с тем, что такое реактивная составляющая и ёмкостное сопротивление, более подробно.

Включение в цепи синусоидальной ЭДС

Виды включений

Конденсатор в цепи постоянного тока (без переменной составляющей) работать, как известно, не может.

Обратите внимание! Это утверждение не касается сглаживающих фильтров, где протекает пульсирующий ток, а также специальных блокирующих схем.

Совершенно иная картина наблюдается, если рассматривать включение этого элемента в цепи переменного тока, в которой он начинает вести себя более активно и может выполнять сразу несколько функций. В этом случае конденсатор может использоваться в следующих целях:

Для блокировки постоянной составляющей, всегда присутствующей в любой электронной схеме;
С целью создания сопротивления на пути распространения высокочастотных (ВЧ) компонентов обрабатываемого сигнала;
Как ёмкостной нагрузочный элемент, задающий частотные характеристики схемы;
В качестве элемента колебательных контуров и специальных фильтров (НЧ и ВЧ).

Из всего перечисленного сразу видно, что в подавляющем большинстве случаев конденсатор в цепи переменного тока используется как частотно-зависимый элемент, способный оказывать определённое влияние на протекающие по ней сигналы.

Простейший тип включения

Происходящие при таком включении процессы приведены на размещённом ниже рисунке.

Они могут быть описаны путём введения понятия гармонической (синусоидальной) ЭДС, выражаемой как U = Uo cos ω t , и выглядят следующим образом:

При нарастании переменной ЭДС конденсатор заряжается протекающим по нему электрическим током I, максимальным в начальный момент времени. По мере заряда ёмкости величина зарядного тока постепенно уменьшается и полностью обнуляется в тот момент, когда ЭДС достигает своего максимума;

Важно! Такое разнонаправленное изменение тока и напряжения приводит к образованию между ними характерного для этого элемента сдвига фаз на 90 градусов.

На этом первая четверть периодического колебания заканчивается;
Далее синусоидальная ЭДС постепенно убывает, вследствие чего конденсатор начинает разряжаться, и в это время в цепи протекает нарастающий по амплитуде ток. При этом наблюдается то же отставание его по фазе, что было в первой четверти периода;
По завершении этой стадии конденсатор полностью разряжается (при этом ЭДС равна нулю), а ток в цепи достигает максимума;
По мере нарастания обратного (разрядного) тока ёмкость перезаряжается, вследствие чего ток постепенно снижается до нуля, а ЭДС достигает своего пикового значения (то есть весь процесс возвращается в исходную точку).

Далее все описанные процессы повторяются с периодичностью, задаваемой частотой внешней ЭДС. Сдвиг по фазе между током и ЭДС может рассматриваться как некое сопротивление изменению напряжения на конденсаторе (отставание его от токовых колебаний).

Емкостное сопротивление

Понятие ёмкости

При исследовании процессов, протекающих в цепях с подключённым в них конденсатором, обнаружено, что время заряда и разряда для различных образцов этого элемента существенно отличается одно от другого. На основании данного факта было введено понятие ёмкости, определяемое как способность конденсатора накапливать заряд под воздействием заданного напряжения:

После этого изменение заряда на его обкладках со временем можно представить как:

Но поскольку Q = CU , то путём несложных вычислений получаем:

I = CxdU/dt = ω C Uo cos ω t = Io sin(ω t+90),

то есть ток течёт через конденсатор таким образом, что он начинает опережать по фазе напряжение на 90 градусов. Такой же результат получается при использовании других математических подходов к этому электрическому процессу.

Векторное представление

Для большей наглядности в электротехнике используется векторное представление рассмотренных процессов, а для количественной оценки замедления реакции вводится понятие ёмкостного сопротивления (смотрите фото ниже).

Из векторной диаграммы также видно, что ток в цепи конденсатора опережает по фазе напряжение на 90 градусов.

Дополнительная информация. При изучении «поведения» катушки в цепи синусоидального тока было обнаружено, что он в ней, напротив, отстаёт по фазе от напряжения.

И в том, и в другом случае наблюдается различие в фазных характеристиках процессов, свидетельствующих о реактивном характере нагрузки в цепи переменной ЭДС.

Упуская из внимания сложные для описания дифференциальные вычисления, для представления сопротивления ёмкостной нагрузки получим:

Из неё следует, что создаваемое конденсатором сопротивление обратно пропорционально частоте переменного сигнала и ёмкости установленного в цепь элемента. Указанная зависимость позволяет строить на основе конденсатора такие частотно-зависимые схемы, как:

Интегрирующие и дифференцирующие цепочки (совместно с пассивным резистором);
НЧ и ВЧ фильтрующие элементы;
Реактивные цепи, используемые для улучшения нагрузочных характеристик силового оборудования;
Резонансные контуры последовательного и параллельного типа.

В первом случае посредством ёмкости удаётся произвольно изменять форму прямоугольных импульсов, увеличивая их длительность (интегрирование) или сокращая её (дифференцирование).

Фильтрующие цепочки и резонансные контура широко используются в линейных схемах самого различного класса (усилители, преобразователи, генераторы и подобные им устройства).

График ёмкостного сопротивления

Доказано, что ток через конденсатор протекает только под воздействием гармонически изменяющегося напряжения. При этом сила тока в цепочке определяется ёмкостью данного элемента, так что чем больше ёмкость конденсатора, тем он значительнее по величине.

Но можно проследить и обратную зависимость, в соответствие с которой сопротивление конденсатора возрастает с понижением частотного параметра. В качестве примера рассмотрим график, приведённый на рисунке ниже.

Из приведённой выше зависимости можно сделать следующие важные выводы:

Для тока постоянной величины (частота = 0) Хс равно бесконечности, что означает невозможность его протекания в ней;
При очень высоких частотах сопротивление этого элемента стремится к нулю;
При прочих равных условиях оно определяется ёмкостью установленного в цепи конденсатора.

Определённый интерес представляют вопросы распределения электрической энергии в цепях переменного тока с включённым в них конденсатором.

Работа (мощность) в ёмкостной нагрузке

Подобно случаю с индуктивностью, при исследовании «поведения» конденсатора в цепях переменной ЭДС обнаружено, что расхода мощности в них из-за сдвига фаз U и I не наблюдается. Последнее объясняется тем, что электрическая энергия на начальном этапе процесса (при заряде) запасается между обкладками конденсатора, а на второй его стадии – отдается назад в источник (смотрите рисунок ниже).

Вследствие этого емкостное сопротивление относится к категории реактивных, или безваттных, нагрузок. Однако такой вывод можно считать чисто теоретическим, поскольку в реальных цепях всегда присутствуют обычные пассивные элементы, обладающие не реактивным, а активным или ваттным сопротивлением. К ним относятся:

Сопротивления подводящих проводов;
Проводимости диэлектрических зон в конденсаторе;
Рассеяние на контактах;
Активные сопротивления витков катушек и тому подобное.

В связи с этим в любой реальной электрической цепочке всегда имеются потери активной мощности (её рассеяние), определяемые в каждом случае индивидуально.

Особое внимание следует обратить на внутренние потери, связанные с утечками через диэлектрик и плохим состоянием изоляции между пластинами (обкладками). Обратимся к следующим определениям, учитывающим реальное положение дел. Так, потери, связанные с качественными характеристиками диэлектрика, называются диэлектрическими. Энергетические затраты, относимые на несовершенство находящейся между пластинами изоляции, принято классифицировать как потери из-за утечек в конденсаторном элементе.

В завершении этого обзора интересно проследить за одной аналогией, представляющей процессы, происходящие в конденсаторной цепи с упругой механической пружиной. И, действительно, пружина, подобно этому элементу, в течение одной части периодического колебания накапливает в себе потенциальную энергию, а во второй фазе – отдает её обратно в кинетической форме. На основании такой аналогии может быть представлена вся картина поведения конденсатора в цепях с переменной ЭДС.