Плоский воздушный конденсатор. Конструкция и принцип действия
Содержание
- Применение
- Конструкция и принцип действия
- Свойства материалов-диэлектриков
- Накопление энергии в конденсаторе
- Применение емкостей в фильтрах
- Классификация
- Слюдяные конденсаторы
Две плоские пластины, находящиеся параллельно между собой, с диэлектриком внутри, образуют плоский конденсатор. Это наиболее простая модель конденсатора, накапливающая энергию разноименного заряда. Если на пластины подать заряд, одинаковый по размеру, но различающийся по модулю, то поле, а точнее его напряженность между проводниками повысится в два раза. Отношение размера заряда одного проводника к разности потенциалов между пластинами – это электроемкость.
Применение
Во всех электронных и радиотехнических устройствах, кроме микросхем и транзисторов используются конденсаторы. В разных схемах конденсаторов присутствует разное количество. Нет таких схем, где бы они не использовались. Они выполняют различные задачи: являются емкостями в фильтрах, служат передающим элементом для сигнала каскадов усиления, входят в состав частотных фильтров, для выдержки временного диапазона, для подбора частоты колебаний в генерирующих устройствах.
Конструкция и принцип действия
Устройство конденсатора заключается в двух обкладках с диэлектриком между ними. На всех схемах они так и отображаются.
S – площадь поверхности обкладок в м 2 , d – расстояние от обкладок, м, С – емкость, Ф, е – проницаемость диэлектрика. Все показатели выражены в системе СИ. Формула подходит плоскому конденсатору, помещают две пластины из металла с выводами, диэлектрик не нужен, так как им будет являться воздух.
Это показывает: емкость плоского конденсатора прямо зависит от площади пластин, и имеет обратную зависимость расстояния от пластин. Если геометрическая форма конденсатора иная, то формула емкости будет отличаться. Для вычисления кабеля. Но смысл зависимости остается таким же.
Пластины конденсаторов бывают и другой формы. Существуют металлобумажные конденсаторы с обкладками из алюминиевой фольги, которая свернута вместе с бумагой в клубок по форме корпуса.
Для повышения электрической прочности бумага конденсатора пропитывается специальным составом для изоляции, в основном это масло для трансформатора. Такое устройство дает возможность повысить емкость в разы. По такому же принципу сделаны конденсаторы других конструкций.
В формуле нет ограничений на размер пластин S и расстояние d. Если пластины отодвинуть далеко, и уменьшить их площадь, то малая емкость останется. Два соседних провода имеют электрическую емкость.
В технике высокой частоты такое свойство широко применяется. Конструкцию конденсаторов выполняют дорожками на печатном монтаже или скручивают два провода в полиэтилене. Простой провод, который называют «лапшой», имеет свою емкость. Чем длиннее провод, тем больше емкость.
Все кабели еще имеют сопротивление R, кроме емкости С. Свойства распределяются по длине кабеля, во время сигналов в виде импульсов являются цепочкой интеграции RС.
Импульс искажается специально. Для этого собрана схема. Емкость кабеля влияет на сигнал. На выходе появится измененный сигнал – «колокол», при коротком импульсе сигнал совсем пропадает.
Свойства материалов-диэлектриков
В формуле значение проницаемости диэлектрика находится в знаменателе, увеличение ведет к повышению емкости. Для воздуха, лавсана, фторопласта величина не отличается от вакуумного состояния. Существуют вещества-диэлектрики, у которых проницаемость больше. Конденсатор, залитый спиртом, повышает свою емкость в 20 раз.
Такие вещества кроме проницаемости имеют хорошую проводимость. Конденсатор с таким веществом держит заряд хуже, разряжается быстрее. Это свойство назвали током утечки. В качестве диэлектриков применяют материалы, позволяющие создавать нормальные токи утечки при большой удельной емкости. Поэтому существует много видов конденсаторов для различных условий применения.
Накопление энергии в конденсаторе
На схеме показан конденсатор с большой емкостью для медленного течения разряда. Можно взять лампочку от фонарика и проверить работу схемы. Такую лампочку можно найти в любом магазине электротоваров. Когда переключатель SA находится во включенном состоянии, то конденсатор получает заряд от батареи через резистор. Процесс изображен на рисунке.
Напряжение повышается по кривой-экспоненте. Ток отражается на графике в зеркальном виде, и имеет обратную зависимость от напряжения. Только в самом начале он подходит для приведенной формулы.
Через определенное время конденсатор получит заряд от источника до значения 4,5 вольт. Как можно вычислить время заряда конденсатора?
В формуле τ = R*C величины умножаются, итог получается в секундах. Это количество времени нужно для заряда уровня 36,8% от источника. Чтобы зарядить конденсатор полностью, нужно время = 5*т.
Если в формулу ставить емкость в мкФ, сопротивление в Ом, то время будет в микросекундах. Для нас удобнее секунды. На схеме емкость 2000 мкФ, сопротивление 500 Ом, время получается т = R * C = 500 * 2000 = 1000000 микросекунд. Это равнозначно одной секунде. В итоге, чтобы конденсатор получил полный заряд, необходимо время 5 секунд.
После этого времени переключатель переводим вправо, конденсатор разряжается по лампочке. Будет видна вспышка разряда конденсатора. Время, необходимое для разряда вычисляется величиной «т».
По схеме можно убедиться в вышеописанном утверждении.
При замыкании переключателя лампа вспыхивает — конденсатор получил заряд по лампочке. На графике видно, что в момент включения значение тока наибольшее, с течением заряда ток снижается до полного прекращения. При качественном конденсаторе и небольшой степенью саморазряда включение не выдаст вспышку лампы. Чтобы лампа снова вспыхнула, нужно разрядить конденсатор.
Любой проводник создает вокруг себя электрическое поле. Электрическое поле можно описать с помощью такой величины, как электрический потенциал. В каждой точке пространства потенциал имеет какое-то значение. Потенциал на бесконечном расстоянии равен нулю. Приближаемся мысленно от бесконечности к проводнику. Чтобы пробиться к проводнику, необходимо совершить работу. Эта работа идет на увеличение потенциальной энергии пробного заряда.
Максимальное значение потенциальная энергия достигнет тогда, когда мы вплотную подойдем к проводнику. После проникновения внутрь проводника, потенциальная энергия перестает меняться. Если мы разделим потенциальную энергию на величину пробного заряда, то получим электрический потенциал.
Потенциал проводника зависит от заряда. Если мы удвоим заряд проводника, то потенциал так же удвоится. Потенциал проводника прямо пропорционален заряду, который несет на себе этот проводник. Отношение заряда проводника к потенциалу является характеристикой проводника, называется электрической емкостью.
Чтобы понять это определение электроемкости, представим себе высоту жидкости в сосуде, имеющим широкое дно. Высота жидкости будет мала, то есть, потенциал мал. Если сосуд узкий и высокий, то такое же количество жидкости приведет к тому, что уровень жидкости будет высоким.
Применение емкостей в фильтрах
В фильтрах емкость устанавливается в конце выпрямителя, который сделан двухполупериодным.
Такие выпрямители применяются с малой мощностью. Достоинством выпрямителей с одним полупериодом является его простота. Он состоит из трансформатора и диода. Емкость конденсатора рассчитывается по формуле:
C=1000000*Po/2 * U * f * dU, где С – емкость в мкФ, Po – мощность, ватт, U — напряжение, вольт, f – частота, герц, dU амплитуда, В.
В числителе находится большое значение, это определяет емкость в мкФ. В знаменателе число 2 – это количество полупериодов, для однополупериодного – это 1.
Классификация
По материалу диэлектрика:
- Воздушные. Их емкость невелика, редко превышает 1000 пФ.
- Слюдяные. В нем диэлектриком служит слюда. Слюда – это минерал, кристаллическое вещество, у которого очень интересная кристаллическая структура. Атомы расположены слоями, расстояние между которыми гораздо больше, чем расстояние между атомами в одном слое. Поэтому, слюда при попытке расколоть кристалл слюды колется на очень тонкие пластинки. У них большая диэлектрическая проницаемость. Толщина пластинок получается очень маленькой. Эти пластинки хорошо работают в быстропеременных электрических полях, обладают хорошей электрической плотностью. Поэтому слюдяные конденсаторы получили широкое распространение.
- Бумажные. Диэлектриком служит бумага, пропитанная парафином. Это хороший диэлектрик, но в быстро меняющихся полях ведет себя не очень хорошо, поляризуется медленно. Используются ограниченно.
- Керамические. Люди научились делать различные сорта керамики. Есть диэлектрики с проницаемостью более 1000, они сделаны из керамики. Можно получить большую емкость. Керамика хорошо работает на высоких частотах в быстропеременных электрических полях.
- Электролитические. Они имеют самую большую емкость при заданных размерах.
Слюдяные конденсаторы
Пластинка слюды, две пластинки-электрода с прикрепленными выводами. Если вы хотите, чтобы емкость конденсатора была больше, то можно поступить следующим образом. Взять несколько пластинок слюды в качестве диэлектрика, между пластинами поместить много обкладок. Получается конденсатор, который состоит из нескольких конденсаторов, соединенных вместе, параллельно.
Воздушные конденсаторы могут быть с переменной емкостью. Они состоят из двух систем пластин.
Подвижные пластины вращающиеся, это ротор. Неподвижные – это статор. Промежутки между подвижными и неподвижными пластинами – это слой диэлектрика из воздуха. Если подвижные пластины выдвинуты из неподвижных, то эта емкость будет минимальная. Площадь перекрытия маленькая. Если пластины задвинуты, то площадь максимальная. Это воздушный конденсатор.
Существуют и керамические переменные конденсаторы. Они используются для перемены емкости в небольших пределах.
Диэлектриком служит керамика. Обкладка представляет собой покрытие из слоя серебра. Сбоку указана емкость в пФ. Отверткой вращают винт, меняется площадь перекрытия пластин. Это подстроечный керамический конденсатор.
Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта , буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.
Источник: