Емкостное сопротивление конденсатора формула расчёта и последовательность соединения в цепи

image{“smallUrl”:”https://www.wikihow.com/images_en/thumb/5/54/Calculate-Impedance-Step-1-Version-4.jpg/v4-460px-Calculate-Impedance-Step-1-Version-4.jpg”,”bigUrl”:”https://www.wikihow.com/images/thumb/5/54/Calculate-Impedance-Step-1-Version-4.jpg/v4-728px-Calculate-Impedance-Step-1-Version-4.jpg”,”smallWidth”:460,”smallHeight”:345,”bigWidth”:728,”bigHeight”:546,”licensing”:”</div>”} 1 Импеданс обозначается символом Z и измеряется в омах (Ом). Вы можете измерить импеданс электрической цепи или отдельного элемента. Импеданс характеризует сопротивление цепи переменному электрическому току. Есть два типа сопротивления, которые вносят вклад в импеданс:[1] X Источник информации

  • Активное сопротивление (R) зависит от материала и формы элемента. Наибольшим активным сопротивлением обладают резисторы, но и другие элементы цепи обладают небольшим активным сопротивлением.
  • Реактивное сопротивление (X) зависит от величины электромагнитного поля. Наибольшим реактивным сопротивлением обладают катушки индуктивности и конденсаторы.

image{“smallUrl”:”https://www.wikihow.com/images_en/thumb/3/3d/Calculate-Impedance-Step-2-Version-5.jpg/v4-460px-Calculate-Impedance-Step-2-Version-5.jpg”,”bigUrl”:”https://www.wikihow.com/images/thumb/3/3d/Calculate-Impedance-Step-2-Version-5.jpg/v4-728px-Calculate-Impedance-Step-2-Version-5.jpg”,”smallWidth”:460,”smallHeight”:345,”bigWidth”:728,”bigHeight”:546,”licensing”:”</div>”} 2 Сопротивление — это фундаментальная физическая величина, описываемая законом Ома: ΔV = I * R.[2] X Источник информации Эта формула позволит вам вычислить любую из трех величин, если вы знаете две другие. Например, чтобы вычислить сопротивление, перепишите формулу так: R = I / ΔV. Вы также можете измерить сопротивление при помощи мультиметра.

  • ΔV — это напряжение (разность потенциалов), измеряемое в вольтах (В).
  • I — сила тока, измеряемая в амперах (А).
  • R — это сопротивление, измеряемое в омах (Ом).

{“smallUrl”:”https://www.wikihow.com/images_en/thumb/0/01/Calculate-Impedance-Step-3-Version-4.jpg/v4-460px-Calculate-Impedance-Step-3-Version-4.jpg”,”bigUrl”:”https://www.wikihow.com/images/thumb/0/01/Calculate-Impedance-Step-3-Version-4.jpg/v4-728px-Calculate-Impedance-Step-3-Version-4.jpg”,”smallWidth”:460,”smallHeight”:345,”bigWidth”:728,”bigHeight”:546,”licensing”:”</div>”} 3 Реактивное сопротивление имеет место только в цепях переменного тока. Как и активное сопротивление, реактивное сопротивление измеряется в омах (Ом). Есть два типа реактивного сопротивления:

  • Индуктивным сопротивлением XC обладают катушки индуктивности, создающие магнитное поле, которое препятствует изменению направления тока в цепи.[3] X Источник информации Чем быстрее меняется направление тока, тем больше индуктивное сопротивление.
  • Емкостным сопротивлением XC обладают конденсаторы, которые накапливают электрический заряд. При изменении направления тока в цепи конденсатор неоднократно обнуляет и накапливает электрический заряд. Чем дольше конденсатор заряжается, тем больше емкостное сопротивление.[4] X Источник информации Поэтому чем быстрее меняется направление тока, тем меньше емкостное сопротивление.

{“smallUrl”:”https://www.wikihow.com/images_en/thumb/a/a1/Calculate-Impedance-Step-4-Version-5.jpg/v4-460px-Calculate-Impedance-Step-4-Version-5.jpg”,”bigUrl”:”https://www.wikihow.com/images/thumb/a/a1/Calculate-Impedance-Step-4-Version-5.jpg/v4-728px-Calculate-Impedance-Step-4-Version-5.jpg”,”smallWidth”:460,”smallHeight”:345,”bigWidth”:728,”bigHeight”:546,”licensing”:”</div>”} 4 Вычислите индуктивное сопротивление. Это сопротивление прямо пропорционально быстроте изменения направления тока, то есть частоты тока. Эта частота обозначается символом ƒ и измеряется в герцах (Гц). Формула для расчета индуктивного сопротивления: XL = 2πƒL, где L — индуктивность, измеряемая в генри (Гн).[5] X Источник информации

  • Индуктивность L зависит от количества витков в катушке индуктивности.[6] X Источник информации Также вы можете измерить индуктивность.
  • Если вы знакомы с единичной окружностью, то представьте, что один цикл переменного тока равен одному полному вращению этой окружности (на 2π радиан). Если умножить это значение на ƒ, которая измеряется в герцах (единиц в секунду), вы получите результат, измеряемый в радианах в секунду. Это единица измерения угловой скорости, которая обозначается через ω. Вы можете переписать формулу для вычисления индуктивного сопротивления так: XL=ωL[7] X Источник информации

{“smallUrl”:”https://www.wikihow.com/images_en/thumb/d/da/Calculate-Impedance-Step-5-Version-5.jpg/v4-460px-Calculate-Impedance-Step-5-Version-5.jpg”,”bigUrl”:”https://www.wikihow.com/images/thumb/d/da/Calculate-Impedance-Step-5-Version-5.jpg/v4-728px-Calculate-Impedance-Step-5-Version-5.jpg”,”smallWidth”:460,”smallHeight”:345,”bigWidth”:728,”bigHeight”:546,”licensing”:”</div>”} 5 Вычислите емкостное сопротивление. Это сопротивление обратно пропорционально быстроте изменения направления тока, то есть частоты тока. Формула для вычисления емкостного сопротивления: XC = 1 / 2πƒC.[8] X Источник информации С — это емкость конденсатора, измеряемая в фарадах (Ф).

  • Вы можете измерить электрическую емкость.
  • Эту формулу можно переписать так: XC = 1 / ωL (объяснения см. выше).

Реклама

Часть 2 из 2:

Вычисление полного сопротивления

  1. {“smallUrl”:”https://www.wikihow.com/images_en/thumb/8/87/Calculate-Impedance-Step-6-Version-4.jpg/v4-460px-Calculate-Impedance-Step-6-Version-4.jpg”,”bigUrl”:”https://www.wikihow.com/images/thumb/8/87/Calculate-Impedance-Step-6-Version-4.jpg/v4-728px-Calculate-Impedance-Step-6-Version-4.jpg”,”smallWidth”:460,”smallHeight”:345,”bigWidth”:728,”bigHeight”:546,”licensing”:”</div>”} 1 Если цепь состоит исключительно из резисторов, то импеданс вычисляется следующим образом. Сначала измерьте сопротивление каждого резистора или посмотрите значения сопротивления на схеме цепи.[9] X Источник информации
    • Если резисторы соединены последовательно, то полное сопротивление R = R1 + R2 + R3
    • Если резисторы соединены параллельно, то полное сопротивление R = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3
  2. {“smallUrl”:”https://www.wikihow.com/images_en/thumb/1/11/Calculate-Impedance-Step-7-Version-4.jpg/v4-460px-Calculate-Impedance-Step-7-Version-4.jpg”,”bigUrl”:”https://www.wikihow.com/images/thumb/1/11/Calculate-Impedance-Step-7-Version-4.jpg/v4-728px-Calculate-Impedance-Step-7-Version-4.jpg”,”smallWidth”:460,”smallHeight”:345,”bigWidth”:728,”bigHeight”:546,”licensing”:”</div>”} 2 Сложите одинаковые реактивные сопротивления. Если в цепи присутствуют исключительно катушки индуктивности или исключительно конденсаторы, то полное сопротивление равно сумме реактивных сопротивлений. Вычислите его следующим образом:[10] X Источник информации
    • Последовательное соединение катушек: Xtotal = XL1 + XL2 + …
    • Последовательное соединение конденсаторов: Ctotal = XC1 + XC2 + …
    • Параллельное соединение катушек: Xtotal = 1 / (1/XL1 + 1/XL2 …)
    • Параллельное соединение конденсаторов: Ctotal = 1 / (1/XC1 + 1/XC2 …)
  3. {“smallUrl”:”https://www.wikihow.com/images_en/thumb/0/0d/Calculate-Impedance-Step-8-Version-4.jpg/v4-460px-Calculate-Impedance-Step-8-Version-4.jpg”,”bigUrl”:”https://www.wikihow.com/images/thumb/0/0d/Calculate-Impedance-Step-8-Version-4.jpg/v4-728px-Calculate-Impedance-Step-8-Version-4.jpg”,”smallWidth”:460,”smallHeight”:345,”bigWidth”:728,”bigHeight”:546,”licensing”:”</div>”} 3 Вычтите индуктивные и емкостные сопротивления, чтобы получить общее реактивное сопротивление. Так как при возрастании одного типа сопротивления другое уменьшается, то они, как правило, компенсируют друг друга. Чтобы найти общее реактивное сопротивление, вычтите меньшее сопротивление из большего.[11] X Источник информации
    • Или воспользуйтесь формулой: Xtotal = |XC – XL|
  4. {“smallUrl”:”https://www.wikihow.com/images_en/thumb/5/52/Calculate-Impedance-Step-9-Version-4.jpg/v4-460px-Calculate-Impedance-Step-9-Version-4.jpg”,”bigUrl”:”https://www.wikihow.com/images/thumb/5/52/Calculate-Impedance-Step-9-Version-4.jpg/v4-728px-Calculate-Impedance-Step-9-Version-4.jpg”,”smallWidth”:460,”smallHeight”:345,”bigWidth”:728,”bigHeight”:546,”licensing”:”</div>”} 4 Вычислите импеданс по активному и реактивному сопротивлениям в последовательной цепи. Нельзя просто сложить эти величины, так как они меняются с течением времени, но достигают максимальных значений в разное время.[12] X Источник информации Поэтому воспользуйтесь формулой:Z = √(R2 + X2).[13] X Источник информации
    • Вычисления по этой формуле включают в себя использование векторов, но вы можете воспользоваться теоремой Пифагора, представив R и X в качестве катетов прямоугольного треугольника, а сопротивление Z — как гипотенузу.[14] X Источник информации [15] X Источник информации
  5. {“smallUrl”:”https://www.wikihow.com/images_en/thumb/f/fe/Calculate-Impedance-Step-10-Version-4.jpg/v4-460px-Calculate-Impedance-Step-10-Version-4.jpg”,”bigUrl”:”https://www.wikihow.com/images/thumb/f/fe/Calculate-Impedance-Step-10-Version-4.jpg/v4-728px-Calculate-Impedance-Step-10-Version-4.jpg”,”smallWidth”:460,”smallHeight”:345,”bigWidth”:728,”bigHeight”:546,”licensing”:”</div>”} 5 Вычислите импеданс по активному и реактивному сопротивлениям в параллельной цепи. В этом случае используются комплексные числа (это единственный способ вычислить полное сопротивление в параллельной цепи, в которой есть как активное, так и реактивное сопротивление).
    • Z = R + jX, где j — мнимая единица: √(-1). Используйте j вместо i, чтобы не перепутать мнимую единицу (j) с силой тока (I).
    • Складывать эти числа нельзя. Например, полное сопротивление может быть представлено так: 60 Ом + j120 Ом.
    • Если у вас есть две последовательные цепи, то вы можете отдельно сложить натуральные числа и отдельно — комплексные. Например, если Z1 = 60 Ом + j120 Ом, а к этой цепи последовательно подключен резистор с Z2 = 20Ω, то Ztotal = 80Ω + j120Ω.

    Реклама

Советы

  • Общее сопротивление (активное и реактивное сопротивления) также может быть выражено через мнимое число.

Реклама

Источники

Реклама

Соберем цепь с конденсатором, в какой генератор переменного тока делает синусоидальное напряжение. Разберем поочередно, что произойдет в цепи, когда мы замкнем ключ. Исходным будем считать тот момент, когда напряжение генератора равно нулю.

В первую четверть периода напряжение на зажимах генератора будет возрастать, начиная от нуля, и конденсатор начнет заряжаться. В цепи появится ток, но в 1-ый момент заряда конденсатора, невзирая на то, что напряжение на его пластинках только-только появилось и еще сильно мало, ток в цепи (ток заряда) будет большим. По мере же роста заряда конденсатора ток в цепи убывает и доходит до нуля в момент, когда конденсатор стопроцентно зарядится. При всем этом напряжение на пластинках конденсатора, строго следуя за напряжением генератора, становится к этому моменту наибольшим, но оборотного знака, т. е. ориентировано навстречу напряжению генератора.

Рис. 1. Изменение тока и напряжения в цепи с емкостью

Таким макаром, ток с большей силой устремляется в свободный от заряда конденсатор, но здесь же начинает убывать по мере наполнения зарядами пластинок конденсатора и падает до нуля, стопроцентно зарядив его.

Сравним это явление с тем, что происходит с потоком воды в трубе, соединяющей два сообщающихся сосуда (рис. 2),один из которых заполнен, а другой пустой. Стоит только выдвинуть заслонку, преграждающую путь воде, как вода сразу из левого сосуда под огромным напором устремится по трубе в пустой правый сосуд. Но тотчас же напор воды в трубе начнет равномерно слабеть, вследствие выравнивания уровней в сосудах, и свалится до нуля. Течение воды закончится.

Рис. 2. Изменение напора воды в трубе, соединяющей сообщающиеся сосуды, сходно с конфигурацией тока в цепи во время заряда конденсатора

Подобно этому и ток поначалу устремляется в незаряженный конденсатор, а потом равномерно слабеет по мере его заряда.

С началом 2-ой четверти периода, когда напряжение генератора начнет поначалу медлительно, а потом все резвее и резвее убывать, заряженный конденсатор будет разряжаться на генератор, что вызовет в цепи ток разряда. По мере убывания напряжения генератора конденсатор все в большей и большей степени разряжается и ток разряда в цепи растет. Направление тока разряда в этой четверти периода обратно направлению тока заряда в первой четверти периода. Соответственно этому кривая тока, пройдя нулевое значение, размещается уже сейчас ниже оси времени.

К концу первого полупериода напряжение на генераторе, также и на конденсаторе стремительно приближается к нулю, а ток в цепи медлительно добивается собственного наибольшего значения. Вспомнив, что величина тока в цепи тем больше, чем больше величина переносимого по цепи заряда, станет ясным, почему ток добивается максимума тогда, когда напряжение на пластинках конденсатора, а как следует, и заряд конденсатора стремительно убывают.

С началом третьей четверти периода конденсатор вновь начинает заряжаться, но полярность его пластинок, так же как и полярность генератора, меняется «а оборотную, а ток, продолжая течь в том же направлении, начинает по мере заряда конденсатора убывать, В конце третьей четверти периода, когда напряжения на генераторе и конденсаторе добиваются собственного максимума, ток становится равным нулю.

В последнюю четверть периода напряжение, уменьшаясь, падает до нуля, а ток, изменив свое направление в цепи, добивается наибольшей величины. На этом и завершается период, за которым начинается последующий, в точности повторяющий предшествующий, и т. д.

Итак, под действием переменного напряжения генератора два раза за период происходят заряд конденсатора (1-ая и 3-я четверти периода) и два раза его разряд (2-ая и 4-ая четверти периода). Но потому что чередующиеся один за одним заряды и разряды конденсатора сопровождаются всякий раз прохождением по цепи зарядного и разрядного токов, то мы можем заключить, что по цепи с емкостью проходит переменный ток.

Убедиться в этом можно на последующем ординарном опыте. Подключите к сети переменного тока через лампочку электронного освещения мощностью 25 Вт конденсатор емкостью 4—6 мкф. Лампочка зажгется и не погаснет до того времени, пока не будет разорвана цепь. Это гласит о том, что по цепи с емкостью проходил переменный ток. Но проходил он, естественно, не через диэлектрик конденсатора, а в каждый момент времени представлял собой либо ток заряда либо ток разряда конденсатора.

Диэлектрик же, как нам понятно, поляризуется под действием электронного поля, возникающего в нем при заряде конденсатора, и поляризация его исчезает, когда конденсатор разряжается.

При всем этом диэлектрик с возникающим в нем током смещения служит для переменного тока собственного рода продолжением цепи, а для неизменного разрывает цепь. Но ток смещения появляется исключительно в границах диэлектрика конденсатора, и потому сквозного переноса зарядов по цепи не происходит.

Сопротивление, оказываемое конденсатором переменному току, находится в зависимости от величины емкости конденсатора и от частоты тока.

Чем больше емкость конденсатора, тем больший заряд переносится по цепи за время заряда и разряда конденсатора, а как следует, и тем больший будет ток в цепи. Повышение же тока в цепи свидетельствует о том, что уменьшилось ее сопротивление.

Как следует, с повышением емкости миниатюризируется сопротивление цепи переменному току.

Повышение частоты тока наращивает величину переносимого по цепи заряда, потому что заряд (а равно и разряд) конденсатора должен произойти резвее, чем при низкой частоте. В то же время повышение величины переносимого в единицу времени заряда равносильно повышению тока в цепи, а как следует, уменьшению ее сопротивления.

Если же мы любым методом будем равномерно уменьшать частоту переменного тока и сведем ток к неизменному, то сопротивление конденсатора, включенного в цепь, будет равномерно возрастать и станет нескончаемо огромным (разрыв цепи) к моменту возникновения в цепи неизменного тока.

Как следует, с повышением частоты миниатюризируется сопротивление конденсатора переменному току.

Подобно тому как сопротивление катушки переменному току именуют индуктивным, сопротивление конденсатора принято именовать емкостным.

Таким макаром, емкостное сопротивление тем больше, чем меньше емкость цепи и частота питающего ее тока.

Емкостное сопротивление обозначается через Хс и измеряется в омах.

Зависимость емкостного сопротивления от частоты тока и емкости цепи определяется формулой Хс = 1/ωС, где ω — радиальная частота, равная произведению 2πf, С—емкость цепи в фарадах.

Емкостное сопротивление, как и индуктивное, является реактивным по собственному нраву, потому что конденсатор не потребляет энергии источника тока.

Формула закона Ома для цепи с емкостью имеет вид I = U/Xc, где I и U — действующие значения тока и напряжения; Хс — емкостное сопротивление цепи.

Свойство конденсаторов оказывать огромное сопротивление токам низкой частоты и просто пропускать токи высочайшей частоты обширно употребляется в схемах аппаратуры связи.

При помощи конденсаторов, к примеру, достигается нужное для работы схем разделение неизменных токов и токов низкой частоты от токов высочайшей частоты.

Если необходимо преградить путь току низкой частоты в высокочастотную часть схемы, поочередно врубается конденсатор маленький емкости. Он оказывает огромное сопротивление низкочастотному току и в то же время просто пропускает ток высочайшей частоты.

Если же нужно не допустить ток высочайшей частоты, к примеру, в цепь питания радиостанции, то употребляется конденсатор большой емкости, включаемый параллельно источнику тока. Ток высочайшей частоты в данном случае проходит через конденсатор, минуя цепь питания радиостанции.

Активное сопротивление и конденсатор в цепи переменного тока

На практике нередко встречаются случаи, когда в цепи поочередно с емкостью включено активное сопротивление. Общее сопротивление цепи в данном случае определяется по формуле

Как следует, полное сопротивление цепи, состоящей из активного и емкостного сопротивлений, переменному току равно корню квадратному из суммы квадратов активного и емкостного сопротивлений этой цепи.

Закон Ома остается справедливым и для этой цепи I = U/Z.

На рис. 3 приведены кривые, характеризующие фазовые соотношения меж током и напряжением в цепи, содержащей емкостное и активное сопротивления.

Рис. 3. Ток, напряжение и мощность в цепи с конденсатором и активным сопротивлением

Как видно из рисунка, ток в данном случае опережает напряжение уже не на четверть периода, а меньше, потому что активное сопротивление нарушило чисто емкостный (реактивный) нрав цепи, о чем свидетельствует уменьшенный сдвиг фаз. Сейчас уже напряжение на зажимах цепи обусловится как сумма 2-ух слагающих: реактивной слагающей напряжения uс, идущей на преодоление емкостного сопротивления цепи, и активной слагающей напряжения преодолевающей активное ее сопротивление.

Чем больше будет активное сопротивление цепи, тем наименьший сдвиг фаз получится меж током и напряжением.

Кривая конфигурации мощности в цепи (см. рис. 3) два раза за период заполучила отрицательный символ, что является, как нам уже понятно, следствием реактивного нрава цепи. Чем наименее реактивная цепь, тем меньше сдвиг фаз меж током и напряжением и тем огромную мощность источника тока эта цепь потребляет.

Читайте также: Где получить удостоверение инвалида 1, 2, 3 группы

Этот пассивный элемент применяют для создания различных электротехнических схем, защитных и блокирующих устройств. Конденсатор в цепи переменного тока накапливает и возвращает энергию. С помощью этой публикации можно выяснить назначение и функции популярного радиокомпонента, изучить основные определения и особенности практического применения.

Электрические параметры, формулы для расчета и схема измерений при подключении конденсатора к источнику питания переменного тока

Свойства и выполняемые функции

Как подобрать конденсатор

Отмеченные накопительные способности определяются размерами пластин и расстоянием между ними, диэлектрическими характеристиками промежуточного слоя. Заряд сохраняется после отключения источника питания. Если подсоединить нагрузку, энергия может выполнять необходимые полезные функции.

Узкополосный фильтр

Читайте также:  Выбор средств измерений: виды, классификация, методика и основные принципы

На рисунке показано устройство, которое «вырезает» небольшой участок спектра. Показанная на графике рабочая частота определяется параметрами цепочки, составленной из конденсатора и катушки индуктивности. В данном примере выполняются функции фильтрации входного сигнала.

Понятие полярности для конденсаторов и их выход из строя

Для улучшения рабочих параметров некоторые компоненты этой категории создают с применением промежуточного материала, пропитанного электролитом. Дополнительные слои создают из оксидов металлов и диэлектриков.

Конструкция электролитического конденсатора

Конденсатор — для чего нужен, устройство и принцип работы

Эти изделия подключают с обязательным соблюдением полярности. Специальная маркировка на корпусе предупреждает пользователей о наличии соответствующего ограничения. При ошибке в процессе монтажа конденсатор будут выведен из строя первым подключением. Кипение электролита может провоцировать повышенное напряжение.

К сведению. Насечками на крышке и предохранительным клапаном уменьшают разрушительный эффект при возникновении аварийной ситуации.

Емкостное сопротивление

Формула мощности электрического тока

Если подключить генератор синусоидального сигнала, с помощью осциллографа можно регистрировать увеличение силы тока по мере роста частоты. В ходе эксперимента нужно поддерживать одинаковую амплитуду на входе.

Изменение тока

В следующих разделах публикации рассказано о том, почему происходят отмеченные явления.

Понятие ёмкости

Рассмотренная выше схема стандартной конструкции подразумевает влияние следующих параметров на способность накопления определенного заряда (q):

  • площади (S) рабочих пластин или обкладок;
  • расстояния (d) между этими функциональными компонентами;
  • диэлектрических характеристик слоя (e – проницаемость).

Выяснив значения перечисленных величин, можно рассчитать напряженность:

E = q/(e*S).

Накопительные свойства (емкость) определяет следующая формула:

С= (e * S)/ d = q/U, где U – напряжение.

Читайте также:  Выбор преобразователя частоты для привода переменного тока

Для случая с переменным током нужно учесть изменение параметров за определенный интервал времени:

I = Δq/Δt.

С учетом представленных выше зависимостей после простых математических преобразований можно создать алгоритм расчета силы тока, который будет проходить по цепи:

I = (C * ΔU)/Δt = f * C * Uo cos f * t = Io * sin (f * t + 90), где f – частота сигнала.

Векторное представление

Для наглядности процессов основные электрические параметры удобно представлять в векторной форме. Чтобы учесть замедление процессов обмена энергией, устанавливают понятие емкостного сопротивления (Xc).

Пояснение общих зависимостей

График и векторное представление демонстрируют отставание напряжения от тока, который будет течь в цепи на 90° (π/2).

К сведению. Обратный эффект наблюдается, если включить в схему катушку индукции. В этом случае напряжение будет опережать ток по фазе на аналогичный угол (90°).

Приведенные особенности подтверждают наличие реактивных компонентов конденсаторов и катушек, соответственно. В упрощенном виде сопротивление Хс выражается обратной зависимостью от частоты и емкости:

Xc = 1/ (f * C).

Представленную формулу можно использовать для расчета фильтров, колебательных контуров и других схем.

График ёмкостного сопротивления

Может ли через конденсатор протекать постоянный ток, отмечено выше. Наличие слоя диэлектрика предотвращает свободное протекание электронов через этот участок. Такой материал только накапливает заряды, но при одинаковых потенциалах эквивалентен разрыву проводника. При работе с переменным сигналом ток смещения в переделах этой зоны выполняет функцию «соединения» цепи.

Зависимость реактивного сопротивления конденсатора от частоты сигнала

Выводы:

  • отсутствие колебательных процессов (f=0) соответствует уменьшению до нуля проводимости, что аналогично разрыву цепи;
  • при увеличении емкости сопротивление конденсатора уменьшается;
  • чем выше частота, тем лучше проводимость.

Работа (мощность) в ёмкостной нагрузке

Выше отмечена цикличность энергетического обмена между источником переменного сигнала и подключенным конденсатором.

Читайте также:  Схема подключения блока аварийного питания для светодиодных светильников

Мощность

Диаграммы демонстрируют процессы в конденсаторе на примере сжимания/ растяжения пружины внешней силой. В идеальных условиях энергетические потери отсутствуют. Однако в реальной ситуации нужно учесть потребление мощности активным сопротивлением соединительных проводов, иных компонентов схемы. Уменьшение КПД объясняется ухудшением функционального состояния диэлектрика.

Прочие параметры

Для уточненных расчетов применяют эквивалентную схему изделия со следующими компонентами:

  • емкость;
  • электрические сопротивления изоляционного слоя, контактных и проводящих элементов конструкции;
  • индуктивные реактивные составляющие.

К сведению. После отключения нагрузки на выводах конденсатора фиксируется небольшой рост напряжения (абсорбция заряда). Также существует зависимость рабочих параметров от температуры.

Характеристики прибора

Важнейшей характеристикой накопительного прибора является ёмкость. От неё зависит время заряда при подключении устройства к источнику тока. Время разряда напрямую связано со значением сопротивления нагрузки: чем оно выше, тем быстрее происходит процесс отдачи накопленной энергии. Определяется эта ёмкость следующим выражением:

Будет интересно➡ Что такое плоские конденсаторы

C = E*Eo*S / d, где E — относительная диэлектрическая проницаемость среды (справочная величина), S — площадь пластин, d — расстояние между ними. Кроме ёмкости конденсатор характеризуется рядом параметров, такими как:

  • удельная ёмкость — определяет отношение величины ёмкости к массе диэлектрика;
  • рабочее напряжение — номинальное значение, которое может выдержать устройство при подаче его на обкладки элемента;
  • температурная стабильность — интервал, в котором ёмкость конденсатора практически не изменяется;
  • сопротивление изоляции — характеризуется саморазрядом устройства и определяется током утечки;
  • эквивалентное сопротивление — состоит из потерь, образуемых на выводах прибора и слое диэлектрика;
  • абсорбция — процесс возникновения разности потенциалов на обкладках после разряда устройства до нуля;
  • ёмкостное сопротивление — уменьшение проводимости при подаче переменного тока;
  • полярность — из-за физических свойств материала, используемого при изготовлении, конденсатор сможет правильно работать, только если к обкладкам приложен потенциал с определённым знаком;
  • эквивалентная индуктивность — паразитный параметр, появляющийся на контактах устройства и превращающий конденсатор в колебательный контур.

Таблицы максимальных значений емкости конденсаторов.

Конденсатор в цепях электрического тока

Следующие эксперименты можно проводить в домашней лаборатории. Они демонстрируют, как будет работать конденсатор с разными источниками питания.

Цепь постоянного тока

При подключении к аккумулятору накопление энергии происходит. Однако протекание тока в цепи блокирует диэлектрик.

Опыт с лампочкой

Цепь переменного тока

Собрав простую схему, можно увидеть отличия входного и выходного сигнала. По мере увеличения частоты на определенном уровне амплитуды становятся равными, а фазы совпадут.

Изучение параметров синусоидального сигнала

Что такое

Цепь, по которой протекает непостоянный ток, обладает полным сопротивлением. Вычисляется оно по сумме активного и реактивного сопротивлений, возведенных в квадрат.

Формула вычисления

Графическое изображение этой формулы представляет собой треугольник. Его катеты представлены активным и реактивным сопротивлениями, а гипотенуза полным электросопротивлением.

Графическое отображение формулы

Емкостное электросопротивление (Xc) является одним из видов реактивного сопротивления. Этот показатель характеризует противодействие электроемкости в цепи электротоку с переменными параметрами. Преобразование электроэнергии в тепловую в момент протекания электричества сквозь емкость не возникает (свойство реактивного сопротивления). Вместо этого осуществляется передача энергии электрического тока электрическому полю и обратно. Потерь энергии при таком обмене не происходит.

Емкостное сопротивление конденсатора можно сравнить с кастрюлей, наполняемой жидкостью, при полном заполнении ее объема она переворачивается, выливая содержимое, а затем наполняется заново. После достижения максимального заряда конденсатора происходит разрядка, затем он заряжается вновь.

Дополнительная информация: Конденсатор цепи способен накопить лишь ограниченную величину заряда до перемены полярности напряжения. По данной причине непостоянный ток не падает до нуля, важное отличие от постоянного электричества. Низкие значения частоты тока соответствуют низким показателям заряда, накопленного конденсатором, низким значениям противодействия электричеству, что придает реактивные свойства.

По сути, Xc — это противостояние электродвижущей силы конденсатора, уровню его заряда.

Включение в цепи синусоидальной ЭДС

Конденсаторы в цепи постоянного тока не работают динамично. Поэтому имеет смысл изучать электрические параметры при подключении генератора синусоидального сигнала. В этой ситуации, кроме энергетических процессов, можно проверить частотные зависимости.

Виды включений

Параллельный способ соединения увеличивает емкость:

Собщ = С1 + С2.

Для уменьшения основного функционального параметра используют последовательную схему:

Читайте также:  Замена предохранителя цифрового мультиметра Cen-Tech на семь функций

1/Собщ = 1/С1 + 1/С2.

При подключении к источнику переменного тока конденсатор подойдет для решения следующих задач:

  • устранение постоянной компоненты сигнала;
  • ухудшение проводимости для определенного частотного диапазона;
  • настройка частоты колебательного контура и других радиотехнических схем.

При необходимости с помощью конденсатора можно гасить паразитные колебания, убирать импульсные помехи.

Простейший тип включения

Представленные выше формулы по току и напряжению можно изобразить следующим образом:

  • I = Im cos (f*t + π/2);
  • U = Uo * cosf*t.

Пояснения к описанию циклов

В простой схеме включения следует отметить следующие этапы рабочего процесса:

  1. увеличение напряжения с накоплением заряда током максимальной силы;
  2. уменьшение i(t) до нуля с одновременным достижением максимума Um;
  3. снижение U c одновременным разрядом конденсатора;
  4. достижение уровня Im c U =0.

Общий подход к выбору изделий и порядку расчетов корректируют с учетом целевого назначения. Если отсутствуют повышенные требования к точности, можно применить представленные параметры и формулы. Дополнительные данные можно получить из сопроводительной документации, на официальных сайтах производителей радиоэлектронных компонентов.

Особенности замены конденсаторов

К примеру, в наличии сеть переменного тока 12 В и две альтернативных группы последовательных конденсаторных элементов.

Конденсаторы подсоединяются в последовательный контур для увеличения напряжения, под которым они остаются работоспособными, но их общая емкость падает в соответствии с формулой для ее расчета.

Часто применяется смешанное соединение конденсаторов, чтобы создать нужную емкостную величину и увеличить напряжение, которое детали способны выдержать.

Можно привести вариант, как соединить несколько компонентов, чтобы выйти на нужные параметры. Если требуется конденсаторный элемент 80 мкФ при напряжении 50 В, но есть только конденсаторы 40 мкФ на 25 В, необходимо образовать следующую комбинацию:

  1. Два конденсатора 40 мкФ/25 В подсоединить последовательно, что позволит иметь в общей сложности 20 мкФ /50 В;
  2. Теперь вступает в действие параллельное включение конденсаторов. Пара конденсаторных групп, включенных последовательно, созданных на первом этапе, соединяются параллельно, получится 40 мкФ / 50 В;
  3. Две собранные в итоге группы соединить параллельно, в результате получим 80 мкФ/50 В.

Важно! Для того чтобы усилить конденсаторы по напряжению, возможно их объединить в последовательную электросхему. Увеличение общей емкостной величины достигается параллельным подключением.

Что необходимо учитывать при создании последовательной цепи:

  1. При соединениях конденсаторов оптимальный вариант – брать элементы с мало различающимися или с одинаковыми параметрами, вследствие большой разницы в напряжениях разряда;
  2. Для баланса токов утечки на каждый конденсаторный элемент (в параллель) включается уравнительное сопротивление.

Получение неполярного конденсатора

Включение в последовательную цепь всегда должно происходить с соблюдением «плюса» и «минуса» конденсаторов. Если их соединить одноименными полюсами, то такое сочетание уже теряет поляризованность. При этом емкость созданной группы будет равна половине от емкостного значения одной из деталей. Такие конденсаторы возможно применять в качестве пусковых на электромоторах.

image
image
image

Конденсаторы — это приборы, накапливающие электрическую энергию в виде зарядов. Аппараты не могут пропускать через себя постоянный ток. Будучи включёнными в цепь с переменным током, он уподобляется пружине, подвергающейся внешнему воздействию. Примечательно, что они не будет пропускать и ток, однако при его прохождении случится перезарядка накопителя, из-за чего покажется, что он проходит через обкладки. Если к ним в разряженном состоянии приложить постоянное напряжение, то по цепи пойдет ток, который снижается по мере зарядки накопителя. Когда достигается паритет значений напряжения на источнике питания и пластинах, он прекращает протекать, что приводит к разрыву.

Свойства и выполняемые функции

Как подобрать конденсатор

Отмеченные накопительные способности определяются размерами пластин и расстоянием между ними, диэлектрическими характеристиками промежуточного слоя. Заряд сохраняется после отключения источника питания. Если подсоединить нагрузку, энергия может выполнять необходимые полезные функции.

image Узкополосный фильтр

На рисунке показано устройство, которое «вырезает» небольшой участок спектра. Показанная на графике рабочая частота определяется параметрами цепочки, составленной из конденсатора и катушки индуктивности. В данном примере выполняются функции фильтрации входного сигнала.

Читайте также:  Всё, что нужно знать владельцу жилья для правильного расчета потребления электроэнергии

Общие сведения

Конденсатор – пассивный элемент электрической цепи, который способен накапливать заряд и мгновенно отдавать его в случае разряда. Конструктивное исполнение простейшего ёмкостного элемента включает в себя:

  • обкладки (пластины);
  • диэлектрический слой, расположенный между пластинами;
  • корпус;
  • выводы (электроды).

Между пластин располагается промежуток, заполненный диэлектриком, в качестве диэлектрика может быть использован воздушный зазор. Так устроены элементы переменной ёмкости.

image Конденсатор (двухполюсник) переменной ёмкости

Важно! Включение в схему ёмкостного двухполюсника полярного конденсатора требует соединения его минусового вывода с общим минусом схемы, а плюсового – с общим плюсом сборки.

К электролитическим полярным двухполюсникам относятся:

  • алюминиевые;
  • полимерные (ниобиевые или танталовые).

Включение в схему с несоблюдением полярности приводит к выходу из строя элемента и возможному повреждению соседних компонентов при его взрыве. Полярные конденсаторы выделяются из прочего ряда высокой ёмкостью.

Ёмкость двухполюсника обозначается буквой C и имеет единицу измерения фарад (Ф). 1 фарад даже для электролитических двухполюсников величина большая. Поэтому наиболее часто применяются такие дольные единицы ёмкости, как:

  • микрофарада – 1 мФ = 1*10-6 Ф;
  • нанофарада – 1 нФ = 1*10-9 Ф;
  • пикофарада – 1 пФ = 1*10-12 Ф.

Электролитический элемент ёмкости состоит из двух обкладок. В качестве первой выступает алюминиевая фольга, в качестве второй – электролит. Диэлектриком служит оксидный слой, нанесённый на фольгу.

У полимерных конденсаторов анод – пористая танталовая или ниобиевая фольга, на которую нанесён оксидный слой диэлектрика. Катод – слой полупроводника, который напыляется прямо на оксидный слой.

Внимание! Срок службы электролитического двухполюсника достигает 5000 ч при максимально допустимом температурном режиме. Откуда следует, что повышение рабочей температуры приводит к сокращению работоспособности.

Положительным потенциалом обладает металлический анод, отрицательным – электролит. Нарушение полярности при подсоединении приводит к утрате диэлектрической способности оксидного напыления и короткому замыканию между пластинами. Электролит нагревается, и образующиеся газы разрывают корпус. Для уменьшения последствий разрыва в верхней части корпуса выполняются насечки.

image Устройство электролитического двухполюсника

Понятие полярности для конденсаторов и их выход из строя

Для улучшения рабочих параметров некоторые компоненты этой категории создают с применением промежуточного материала, пропитанного электролитом. Дополнительные слои создают из оксидов металлов и диэлектриков.

image Конструкция электролитического конденсатора

Конденсатор — для чего нужен, устройство и принцип работы

Читайте также:  Кабельный чулок — ошибки выбора, виды, правильное применение.

Эти изделия подключают с обязательным соблюдением полярности. Специальная маркировка на корпусе предупреждает пользователей о наличии соответствующего ограничения. При ошибке в процессе монтажа конденсатор будут выведен из строя первым подключением. Кипение электролита может провоцировать повышенное напряжение.

К сведению. Насечками на крышке и предохранительным клапаном уменьшают разрушительный эффект при возникновении аварийной ситуации.

image

Сноски

TDK является зарегистрированным знаком обслуживания и зарегистрированной торговой маркой корпорации TDK. P.S. По просьбам трудящихся — сравнительное фото конденсаторов различных типоразмеров. Шаг сетки 5мм.

Емкостное сопротивление

Формула мощности электрического тока

Если подключить генератор синусоидального сигнала, с помощью осциллографа можно регистрировать увеличение силы тока по мере роста частоты. В ходе эксперимента нужно поддерживать одинаковую амплитуду на входе.

Изменение тока

В следующих разделах публикации рассказано о том, почему происходят отмеченные явления.

Понятие ёмкости

Рассмотренная выше схема стандартной конструкции подразумевает влияние следующих параметров на способность накопления определенного заряда (q):

  • площади (S) рабочих пластин или обкладок;
  • расстояния (d) между этими функциональными компонентами;
  • диэлектрических характеристик слоя (e – проницаемость).

Выяснив значения перечисленных величин, можно рассчитать напряженность:

E = q/(e*S).

Накопительные свойства (емкость) определяет следующая формула:

С= (e * S)/ d = q/U, где U – напряжение.

Для случая с переменным током нужно учесть изменение параметров за определенный интервал времени:

Читайте также:  Шкафы распределительные электрические ШР и ШРС

I = Δq/Δt.

С учетом представленных выше зависимостей после простых математических преобразований можно создать алгоритм расчета силы тока, который будет проходить по цепи:

I = (C * ΔU)/Δt = f * C * Uo cos f * t = Io * sin (f * t + 90), где f – частота сигнала.

Векторное представление

Для наглядности процессов основные электрические параметры удобно представлять в векторной форме. Чтобы учесть замедление процессов обмена энергией, устанавливают понятие емкостного сопротивления (Xc).

Пояснение общих зависимостей

График и векторное представление демонстрируют отставание напряжения от тока, который будет течь в цепи на 90° (π/2).

К сведению. Обратный эффект наблюдается, если включить в схему катушку индукции. В этом случае напряжение будет опережать ток по фазе на аналогичный угол (90°).

Приведенные особенности подтверждают наличие реактивных компонентов конденсаторов и катушек, соответственно. В упрощенном виде сопротивление Хс выражается обратной зависимостью от частоты и емкости:

Xc = 1/ (f * C).

Представленную формулу можно использовать для расчета фильтров, колебательных контуров и других схем.

График ёмкостного сопротивления

Может ли через конденсатор протекать постоянный ток, отмечено выше. Наличие слоя диэлектрика предотвращает свободное протекание электронов через этот участок. Такой материал только накапливает заряды, но при одинаковых потенциалах эквивалентен разрыву проводника. При работе с переменным сигналом ток смещения в переделах этой зоны выполняет функцию «соединения» цепи.

Зависимость реактивного сопротивления конденсатора от частоты сигнала

Выводы:

  • отсутствие колебательных процессов (f=0) соответствует уменьшению до нуля проводимости, что аналогично разрыву цепи;
  • при увеличении емкости сопротивление конденсатора уменьшается;
  • чем выше частота, тем лучше проводимость.

Работа (мощность) в ёмкостной нагрузке

Выше отмечена цикличность энергетического обмена между источником переменного сигнала и подключенным конденсатором.

Мощность

Диаграммы демонстрируют процессы в конденсаторе на примере сжимания/ растяжения пружины внешней силой. В идеальных условиях энергетические потери отсутствуют. Однако в реальной ситуации нужно учесть потребление мощности активным сопротивлением соединительных проводов, иных компонентов схемы. Уменьшение КПД объясняется ухудшением функционального состояния диэлектрика.

Прочие параметры

Для уточненных расчетов применяют эквивалентную схему изделия со следующими компонентами:

  • емкость;
  • электрические сопротивления изоляционного слоя, контактных и проводящих элементов конструкции;
  • индуктивные реактивные составляющие.

К сведению. После отключения нагрузки на выводах конденсатора фиксируется небольшой рост напряжения (абсорбция заряда). Также существует зависимость рабочих параметров от температуры.

Параллельное соединение

Несколько конденсаторов могут включаться последовательно или параллельно. При параллельном соединении ёмкости всех конденсаторов суммируются. При последовательном соединении общая ёмкость батареи конденсаторов меньше самой маленькой, так как складываются величины, обратные емкости. Но зато напряжение, при котором можно работать такая батарея, будет больше рабочего напряжения одного конденсатора.

Материал в тему: все о переменном конденсаторе.

На материнских платах в цепи низковольтного источника напряжения, питающего ядро процессора, используется несколько однотипных конденсаторов, соединенных параллельно. Интересный вопрос: почему бы не поставить один конденсатор емкостью, эквивалентной емкости батареи конденсаторов? Дело в том, что у параллельно соединенных конденсаторов суммарное ESR будет гораздо меньше, чем ESR одного конденсатора. Потому что при параллельном соединении сопротивлений общее сопротивление уменьшается.

Соединения конденсаторов.

Конденсатор в цепях электрического тока

Следующие эксперименты можно проводить в домашней лаборатории. Они демонстрируют, как будет работать конденсатор с разными источниками питания.

Цепь постоянного тока

При подключении к аккумулятору накопление энергии происходит. Однако протекание тока в цепи блокирует диэлектрик.

Опыт с лампочкой

Читайте также:  Приставка для увеличения входного сопротивления мультиметра

Цепь переменного тока

Собрав простую схему, можно увидеть отличия входного и выходного сигнала. По мере увеличения частоты на определенном уровне амплитуды становятся равными, а фазы совпадут.

Изучение параметров синусоидального сигнала

Принцип работы

Конденсатор может быть выполнен по-разному, но суть работы и основные его элементы остаются неизменными в любом случае. Чтобы понять принцип работы, необходимо рассмотреть самую простую его модель.

У простейшего устройства имеются две обкладки: одна из них заряжена положительно, другая — наоборот, отрицательно. Заряды эти хоть и противоположны, но равны. Они притягиваются с определенной силой, которая зависит от расстояния. Чем ближе друг к другу располагаются обкладки, тем больше между ними сила притяжения. Благодаря этому притяжению заряженное устройство не разряжается.

Однако достаточно проложить какой-либо проводник между двумя обкладками и устройство мгновенно разрядится. Все электроны от отрицательно заряженной обкладки сразу же перейдут на положительно заряженную, в результате чего заряд уравняется. Иными словами, чтобы снять заряд с конденсатора, необходимо лишь замкнуть две его обкладки.

Включение в цепи синусоидальной ЭДС

Конденсаторы в цепи постоянного тока не работают динамично. Поэтому имеет смысл изучать электрические параметры при подключении генератора синусоидального сигнала. В этой ситуации, кроме энергетических процессов, можно проверить частотные зависимости.

Виды включений

Параллельный способ соединения увеличивает емкость:

Собщ = С1 + С2.

Для уменьшения основного функционального параметра используют последовательную схему:

1/Собщ = 1/С1 + 1/С2.

При подключении к источнику переменного тока конденсатор подойдет для решения следующих задач:

  • устранение постоянной компоненты сигнала;
  • ухудшение проводимости для определенного частотного диапазона;
  • настройка частоты колебательного контура и других радиотехнических схем.

При необходимости с помощью конденсатора можно гасить паразитные колебания, убирать импульсные помехи.

Простейший тип включения

Представленные выше формулы по току и напряжению можно изобразить следующим образом:

  • I = Im cos (f*t + π/2);
  • U = Uo * cosf*t.

Пояснения к описанию циклов

В простой схеме включения следует отметить следующие этапы рабочего процесса:

  1. увеличение напряжения с накоплением заряда током максимальной силы;
  2. уменьшение i(t) до нуля с одновременным достижением максимума Um;
  3. снижение U c одновременным разрядом конденсатора;
  4. достижение уровня Im c U =0.

Общий подход к выбору изделий и порядку расчетов корректируют с учетом целевого назначения. Если отсутствуют повышенные требования к точности, можно применить представленные параметры и формулы. Дополнительные данные можно получить из сопроводительной документации, на официальных сайтах производителей радиоэлектронных компонентов.

Об авторе

Марк Фортунато провёл большую часть жизни пытаясь сделать так, чтобы эти противные электроны оказались в нужное время в нужном месте. Он работал над различными вещами — от систем распознавания речи и микроволновой аппаратуры, до светодиодных ламп (тех, которые регулируются правильно, заметьте!). Он провёл последние 16 лет помогая клиентам приручить их аналоговые схемы. Г-н Фортунато сейчас является ведущим специалистом подразделения коммуникационных и автомобильных решений Maxim Integrated. Когда он не пасёт электроны, Марк любит тренировать молодёжь, читать публицистику, смотреть как его младший сын играет в лакросс, а старший сын играет музыку. В целом, он стремится жить в гармонии. Марк очень сожалеет, что больше не встретится с Джимом Уильямсом или Бобом Пизом.

По внешнему виду

Если маркировка стерлась или неясна, то определение полярности конденсатора иногда возможно путем анализа внешнего вида корпуса. У многих емкостей с расположением выводов на одной стороне и не подвергавшихся монтажу плюсовая ножка длиннее, чем отрицательная. Изделия марки ЭТО, ныне устаревшие, имеют вид 2 цилиндров, поставленных друг на друга: большего диаметра и небольшой высоты, и меньшего диаметра, но существенно более высокий. Контакты расположены по центру торцов цилиндров. Положительный вывод смонтирован в торце цилиндра большего диаметра.

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Максим Коновалов
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий