Зачем в простом регуляторе напряжения конденсаторы

8

Конденсатор: что это такое и для чего он нужен

Конденсатор – это устройство, способное накапливать электрический заряд.

Такую же функцию выполняет и аккумуляторная батарея, но в отличие от неё конденсатор может моментально отдать весь накопленный заряд.

Количество заряда, которое способен накопить конденсатор, называют «емкостью». Эта величина измеряется в фарадах.

Содержание статьи

Принцип работы конденсаторов

При подсоединении цепи к источнику электрического тока через конденсатор начинает течь электрический ток. В начале прохождения тока через конденсатор его сила имеет максимальное значение, а напряжение – минимальное. По мере накопления устройством заряда сила тока падает до полного исчезновения, а напряжение увеличивается.

В процессе накопления заряда электроны скапливаются на одной пластинке, а положительные ионы – на другой. Между пластинами заряд не перетекает из-за присутствия диэлектрика. Так устройство накапливает заряд. Это явление называется накоплением электрических зарядов, а конденсатор –накопителем электрического поля.

Устройство конденсаторов

Конструкции современных конденсаторов отличаются разнообразием, но можно выделить несколько типичных вариантов:

Пакетная конструкция

Используется в стеклоэмалевых, керамических и стеклокерамических конденсаторах. Пакеты образованы чередующимися слоями обкладок и диэлектрика. Обкладки могут изготавливаться из фольги, а могут представлять собой слои на диэлектрических пластинах – напыленный или нанесенный вжиганием.

Каждый пакетный конденсатор имеет верхнюю и нижнюю обкладки, имеющие контакты с торцов пакета. Выводы изготавливаются из проволоки или ленточных полосок. Пакет опрессовывается, герметизируется, покрывается защитной эмалью.

Трубчатая конструкция

Такую конструкцию могут иметь высокочастотные конденсаторы. Они представляют собой керамическую трубку с толщиной стенки 0,25 мм. На ее наружную и внутреннюю стороны способом вжигания наносится серебряный проводящий слой. Снаружи деталь обрабатывается изоляционным веществом. Внутреннюю обкладку выводят на наружный слой для присоединения к ней гибкого вывода.

Дисковая конструкция

Эта конструкция, как и трубчатая, применяется при изготовлении высокочастотных конденсаторов.

Диэлектриком в дисковых конденсаторах является керамический диск. На него вжигают серебряные обкладки, к которым подсоединены гибкие выводы.

Литая секционированная конструкция

Применяется в монолитных многослойных керамических конденсаторах, используемых в современной аппаратуре, в том числе с интегральными микросхемами. Деталь, имеющая 2 паза, изготавливается литьем керамики. Пазы заполняют серебряной пастой, которую закрепляют методом вживания. К серебряным вставкам припаивают гибкие выводы.

Рулонная конструкция

Характерна для бумажных пленочных низкочастотных конденсаторов с большой емкостью. Бумажная лента и металлическая фольга сворачиваются в рулон. В металлобумажных конденсаторах на бумажную ленту наносят металлический слой толщиной до 1 мкм.

Где используются конденсаторы

Конденсаторы применяются практически во всех современных устройствах: сабвуферах, электродвигателях, автомобилях, насосах, электроинструменте, кондиционерах, холодильниках, мобильных телефонах и т.п.

В зависимости от выполняемых функций их разделяют на общего назначения и узкоспециальные.

К конденсаторам общего назначения относятся низковольтные накопители, которые используются в большинстве видов электроаппаратуры.

К узкоспециализированным относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические ипусковые конденсаторы.

Функции, выполняемые конденсаторами:

• фильтрация высокочастотных помех;
• сведение к минимуму пульсаций;
• разделение сигнала на постоянные и переменные компоненты;
• накопление энергии;
• создание резонанса с катушкой индуктивности, что позволяет усилить сигнал.

Поведение конденсатора в цепях постоянного и переменного тока

В цепях постоянного тока заряженный конденсатор образует разрыв, мешающий протеканию тока. Если напряжение приложить к обкладкам разряженной детали, то ток потечет. При этом конденсатор будет заряжаться, сила тока падать, напряжение на обкладках повышаться. При достижении равенства напряжения на обкладках и источника электропитания течение тока прекращается.

При постоянном напряжении конденсатор удерживает заряд при включенном питании. После выключения заряд сбрасывается через нагрузки, присутствующие в цепи.

Переменный ток заряженный конденсатор тоже не пропускает. Но за один период синусоиды дважды происходит зарядка и разрядка накопителя, поэтому ток получает возможность протекать через конденсаторв периодего разрядки.

Виды и классификация конденсаторов

Конденсаторы различных типов приспособлены к разным условиям работы, направлены на выполнение определенных задач и обладают различными побочными эффектами.

Основной признак, по которому классифицируют конденсатор, – это вид диэлектрика. Именно диэлектрический материал определяет многие характеристики конденсатора.

Электролитические конденсаторы

В электролитических конденсаторах анодом служит металлическая пластина, диэлектриком – оксидная пленка, а катодом – твердый, жидкий или гелеобразный электролит. Наличие гелеобразного электролита делает устройство полярным, то есть ток через него может протекать только в одном направлении. Представители этого семейства – алюминиевые и танталовые конденсаторы.

Алюминиевые электролитические конденсаторы имеют емкость от 0,1 до нескольких тысяч мкФ. Обычно они применяются на звуковых частотах. Электрохимическая ячейка плотно упакована, что обеспечивает большую эффективную индуктивность, которая не позволяет использовать алюминиевые накопители на сверхвысоких частотах.

В танталовых конденсаторах катод изготавливается из диоксида марганца. Сочетание значительной площади поверхности анода и диэлектрических характеристик оксида тантала обеспечивает высокую удельную емкость (емкость в единице объема или массы диэлектрика). Это значит, что танталовые конденсаторы гораздо компактнее алюминиевых такой же емкости.

У танталовых конденсаторов есть свои недостатки. Устройства ранних поколений грешат отказами, возможны возгорания. Они могут произойти при подаче слишком высокого пускового тока, который меняет структурное состояние диэлектрика. Дело в том, что оксид тантала в аморфном состоянии является хорошим диэлектриком. При подаче большого пускового тока оксид тантала из аморфного состояния переходит в кристаллическое и превращается в проводник. Кристаллический оксид тантала еще больше увеличивает силу тока, что и приводит к возгоранию. Современные танталовые конденсаторы производятся по передовым технологиям и практически не дают отказов, не вздуваются, не возгораются.

Пленочные и металлопленочные конденсаторы

Пленочные конденсаторы имеют диэлектрический слой из полимерной пленки, расположенный между слоями металлофольги.

Такие устройства имеют небольшую емкость (от 100 пФ до нескольких мкФ), но могут работать при высоких напряжениях – до 1000 В.

Существует целое семейство пленочных конденсаторов, но для всех видов характерны небольшие емкость и индуктивность. Благодаря малой индуктивности, эти приборы используются в высокочастотных схемах.

Основные различия между конденсаторами с разными типами пленок:

• Конденсаторы с диэлектриком в виде полипропиленовой пленки применяются в цепях, в которых предъявляются высокие требования к температурной и частотной стабильности. Они подходят для систем питания, подавления ЭМП.
• Конденсаторы с диэлектриком в виде полиэстеровой пленки обладают низкой стоимостью и способны выдерживать высокие температуры при пайке. Частотная стабильность, по сравнению с полипропиленовыми видами, ниже.
• Конденсаторы с диэлектриком из поликарбонатной и полистиреновой пленки, которые использовались в старых схемах, сегодня уже неактуальны.

Керамические конденсаторы

В керамических конденсаторах в качестве диэлектрика используются керамические пластины.

Керамические конденсаторы отличаются небольшой емкостью – от одного пФ до нескольких десятков мкФ.

Керамика имеет пьезоэлектрический эффект (способность диэлектрика поляризоваться под воздействием механических усилий), поэтому некоторые виды этих конденсаторов обладают микрофонным эффектом. Это нежелательное явление, при котором часть электроцепи воспринимает вибрации, как микрофон, что становится причиной помех.

Бумажные и металлобумажные конденсаторы

В качестве диэлектрика в этих конденсаторах используется бумага, часто промасленная. Устройства с промасленной бумагой отличаются большими размерами. Модели с непромасленной бумагой более компактны, но они имеют существенный недостаток – увеличивают энергопотери под воздействием влаги даже в герметичной упаковке. В последнее время эти детали используются редко.

Основные параметры конденсаторов

Емкость

Этот показатель характеризует способность конденсатора накапливать электрический заряд. Емкость тем больше, чем больше площадь проводниковых обкладок и чем меньше толщина диэлектрического слоя. Также эта характеристика зависит от материала диэлектрика. На приборе указывается номинальная емкость. Реальная емкость, в зависимости от эксплуатационных условий, может отличаться от номинальной в значительных пределах. Стандартные варианты номинальной емкости – от единиц пикофарад до нескольких тысяч микрофарад. Некоторые модели могут иметь емкость в несколько десятков фарад.

Классические конденсаторы имеют положительную емкость, то есть чем больше приложенное напряжение, тем больше накопленный заряд. Но сегодня в стадии разработки находятся устройства с уникальными свойствами, которые ученые называют «антиконденсаторами». Они обладают отрицательной емкостью, то есть с ростом напряжения их заряд уменьшается, и наоборот. Внедрение таких антиконденсаторов в электронную промышленность позволит ускорить работу компьютеров и снизить риск их перегрева.

Что будет, если поставить накопитель большей/меньшей емкости, по сравнению с требуемой? Если речь идет о сглаживании пульсаций напряжения в блоках питания, то установка конденсатора с емкостью, превышающей нужную величину (в разумных пределах – до 90% от номинала), в большинстве случаев улучшает ситуацию. Монтаж конденсатора с меньшей емкостью может ухудшить работу схемы. В других случаях возможность установки детали с параметрами, отличающимися от заданных, определяют конкретно для каждого случая.

Удельная емкость

Отношение номинальной емкости к объему (или массе) диэлектрика. Чем тоньше диэлектрический слой, тем выше удельная емкость, но тем меньше его напряжение пробоя.

Плотность энергии

Это понятие относится к электролитическим конденсаторам. Максимальная плотность характерна для больших конденсаторов, в которых масса корпуса значительно ниже, чем масса обкладок и электролита.

Номинальное напряжение

Его значение отражается на корпусе и характеризует напряжение, при котором конденсатор работает в течение срока службы с колебанием параметров в заданных пределах. Эксплуатационное напряжение не должно превышать номинальное значение. Для многих конденсаторов с повышением температуры номинальное напряжение снижается.

Полярность

К полярным относятся электролитические конденсаторы, имеющие положительный и отрицательный заряды. На устройствах отечественного производства обычно ставился знак «+» у положительного электрода. На импортных приборах обозначается отрицательный электрод, возле которого стоит знак «-». Такие конденсаторы могут выполнять свои функции только при корректном подключении полярности напряжения. Этот факт объясняется химическими особенностями реакции электролита с диэлектриком.

Что будет, если перепутать полярность конденсатора? Обычно в этом случае приборы выходят из строя. Это происходит из-за химического разрушения диэлектрика, которое вызывает рост силы тока, вскипание электролита и, как следствие, вздутие корпуса и вероятный взрыв.

К группе неполярных конденсаторов относится большинство накопителей заряда. Эти детали обеспечивают корректную работу при любом порядке подключения выводов в цепь.

Паразитные параметры конденсаторов

Конденсаторы, помимо основных характеристик, имеют так называемые «паразитные параметры», которые искажают рабочие свойства колебательного контура. Их необходимо учитывать при проектировании схемы.

К таким параметрам относятся собственное сопротивление и индуктивность, которые разделяются на следующие составляющие:

• Электрическое сопротивление изоляции (r), которое определяется по формуле: r = U/Iут, в которой U – напряжение источника питания, Iут – ток утечки.
• Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, англ. ESR). Эта величина зависит от электрического сопротивления материала обкладок, выводов, контактов между ними, потерями в диэлектрическом слое. ЭПС возрастает с ростом частоты тока, подаваемого на накопитель. В большинстве случаев эта характеристика не принципиальна. Исключение составляют электролитические накопители, устанавливаемые в фильтрах импульсных блоков питания.
• Эквивалентная последовательная индуктивность – L. На низких частотах этот параметр, обусловленный собственной индуктивностью обкладок и выводов, не учитывается.

К паразитным параметрам также относится Vloss – незначительная величина, выражаемая в процентах, которая показывает, насколько падает напряжение сразу после прекращения зарядки конденсатора.

Обозначение конденсаторов на схеме

На чертежах конденсатор с постоянной емкостью обозначают двумя параллельными черточками — обкладками. Их подписывают буквой «C». Рядом с буквой ставят порядковый номер элемента на схеме и значение емкости в пФ или мкФ.

В конденсаторах переменной емкости параллельные черточки перечеркиваются диагональной чертой со стрелкой. Подстроечные модели обозначаются двумя параллельными линиями, перечеркнутыми диагональной чертой с черточкой на конце. На обозначении полярных конденсаторов указывается положительно заряженная обкладка.

Особенности соединения нескольких конденсаторов в цепи

Соединение нескольких конденсаторов между собой может быть последовательным или параллельным.

Последовательное

Последовательное соединение позволяет подавать на обкладки большее напряжение, чем на отдельно стоящую деталь. Напряжение распределяется в зависимости от емкости каждого накопителя. Если емкости деталей равны, то напряжение распределяется поровну.

Получаемая емкость в такой цепи находится по формуле:

Если провести вычисления, то станет понятно, что увеличение напряжения в цепи достигается существенным падением емкости. Например, если в цепь подсоединить последовательно два конденсатора емкостью 10 мкФ, то общая емкость будет равна всего 5 мкФ.

Параллельное

Это наиболее распространенный на практике способ, позволяющий увеличить общую емкость в схеме. Параллельное соединение позволяет создать один большой конденсатор с суммарной площадью проводящих пластин. Общая емкость системы представляет собой сумму емкостей соединенных деталей.

Напряжение на всех элементах будет одинаковым.

Маркировка конденсаторов

В маркировке конденсатора, независимо от его типа, присутствуют два обязательных параметра – емкость и номинальное напряжение. Наиболее распространена цифровая маркировка, указывающая величину сопротивления. В ней используется три или четыре цифры.

Кратко суть трехфциферной маркировки: первые две цифры, находящиеся слева, указывают значение емкости в пикофарадах. Самая правая цифра показывает, сколько нулей надо прибавить к стоящим слева цифрам. Результат получается в пикофарадах. Пример: 154 = 15х104 пФ. На конденсаторах зарубежного производства пФ обозначаются как mmf.

В кодовом обозначении с четырьмя цифрами емкость в пикофарадах обозначают первые три цифры, а четвертая указывает на количество нулей, которые требуется добавить. Например: 2353=235х103 пФ.

Для обозначения емкости также может применяться буквенно-цифровая маркировка, содержащая букву R, которая указывает место установки десятичной запятой. Например, 0R8=0,8 пФ.

На корпусе значение напряжения указывается числом, после которого ставятся буквы: V, WV (что означает «рабочее напряжение»). Если указание на допустимое напряжение отсутствует, то конденсатор может использоваться только в низковольтных цепях.

Помимо емкости и напряжения, на корпусе могут указываться и другие характеристики детали:

• Материал диэлектрика. Б – бумага, С – слюда, К – керамика.
• Степень защиты от внешних воздействий. Г – герметичное исполнение, О – опрессованный корпус.
• Конструкция. М – монолит, Б – бочонок, Д – диск, С – секционный вариант.
• Режим по току. И – импульсный, У – универсальный, Ч – только постоянный ток, П – переменный/постоянный.

Как проверить работоспособность конденсатора

Для проверки конденсатора на работоспособность используют мультиметр. Прежде чем проверить накопитель, необходимо определить, какой именно прибор находится в схеме – полярный (электролитический) или неполярный.

Проверка полярного конденсатора

При проверке полярного конденсатора необходимо соблюдать правильную полярность подключения щупов: плюсовой должен быть прижат к плюсовой ножке, минусовой – к минусу. Если вы перепутаете полярность, конденсатор выйдет из строя.

После выпайки детали ее кладут на свободное пространство. Мультиметр включают в режим измерения сопротивления («прозвонки»).

Щупами дотрагиваются до выводов прибора с соблюдением полярности. Правильная ситуация, когда на дисплее появляется первое значение, которое начинает постепенно расти. Максимальное значение, которое должно быть достигнуто для исправного устройства, – 1. Если вы только прикоснулись щупами к выводам, а на экране появилась сразу цифра 1, значит, прибор неисправен. Появление на экране «0» означает, что внутри детали произошло короткое замыкание.

Проверка неполярного конденсатора

В этом случае проверка предельно простая. Диапазон измерений выставляют на отметку 2 МОм. Щупы присоединяют к выводам конденсатора в любом порядке. Полученное значение должно превышать двойку. Если на дисплее высвечивается значение менее 2 МОм, то деталь неисправна.

Как зарядить и разрядить конденсатор

Для зарядки накопителя его подсоединяют к источнику постоянного тока. Зарядка прекращается, когда напряжение источника питания сравнивается по величине с напряжением на обкладках.

Разрядка конденсатора может понадобиться для безопасной разборки бытовых приборов и электронных устройств. Накопители электронных устройств разряжают с помощью обычной диэлектрической отвертки. Для разрядки крупных накопителей, которые устанавливаются в бытовых приборах, необходимо собрать специальное разрядное устройство.

Для чего нужен конденсатор в электрической цепи: особенности работы

Практически во всех электронных устройствах, от самых простых до высокотехнологичных, таких как материнские платы компьютеров, можно встретить один неизменно присутствующий элемент, являющийся пассивным компонентом. Но к сожалению, мало кто знает как устроен и для чего нужен конденсатор, и какие виды этого накопителя бывают.

Просто о сложном

Итак, это небольшое устройство для накопления электрического поля или заряда похоже на обычную банку, ту, в которой маринуют помидоры или хранят муку. Она точно так же в себе накапливает сухое вещество или жидкость, которую в неё поместят. Аналогия проста: по цепи бегут электроны, а на своей дороге встречают проводников, которые ведут их в «банку», где они и накапливаются, усиливая заряд.

Для того чтобы выяснить, много ли элекрончиков так можно собрать, и в какой момент накопление прекратится (банка лопнет), электрический процесс обычно сравнивают с водопроводом. Если представить трубу, в которой течёт вода, закачиваемая туда насосом, то где-то в центре трубопровода нужно вообразить мягкую мембрану, растягивающуюся под давлением жидкости. Очевидно, что она будет растягиваться до определённого предела, пока не разорвётся или, если попалась очень крепкая, не уравновесит силу насоса.

Такой пример показывает, как работает конденсатор, только мембрана заменяется электрическим полем, которое увеличивается по мере зарядки накопителя (работы насоса), уравновешивая напряжение источника питания. Очевидно, что этот процесс не бесконечный, и предельный заряд существует, по достижении которого «банка» выйдет из строя и перестанет выполнять свои функции.

Устройство и принцип работы

Конденсатор — устройство, состоящее из двух пластин (обкладок), имеющих между собой пустоту. Напряжение к нему подаётся через проводки, подсоединённые к пластинкам. Современные приборы, по сути, не сильно отличаются от макетов на уроках физики, они также состоят из диэлектрика и обкладок. Следует отметить, что именно вещество или его отсутствие (вакуум), плохо проводящее электричество, изменяет характеристики накопителя.

Суть принципа работы конденсатора проста: дали напряжение, и заряд начал накапливаться. Для примера следует рассмотреть как ведёт себя накопитель в двух вариантах электрической цепи:

• Постоянный ток. Если в цепь с подключённым к ней конденсатором подать ток, то можно увидеть, что стрелка на амперметре начнёт двигаться, а потом быстро вернётся в исходное положение. Это объясняется просто: устройство быстро зарядилось, то есть источник питания был уравновешен обкладками накопителя, и тока не стало. Поэтому часто говорят, что в условиях постоянного тока конденсатор не работает. Такое утверждение неправильное, всё функционирует, но очень непродолжительное время.
• Переменный ток — это когда электроны двигаются сначала в одну, а затем в другую сторону. Если представить такую цепь с подключённым к ней накопителем, то на обеих обкладках конденсатора будут попеременно накапливаться положительные и отрицательные заряды. Это говорит о том, что переменный ток свободно протекает через устройство.

Поскольку конденсатор задерживает постоянный ток, но пропускает переменный, отсюда формируются и сферы его назначения, например, для устройств, в которых нужно убрать постоянную составляющую в сигнале. Вполне очевидно, что накопитель обладает сопротивлением, а вот мощность на нём не выделяется, поэтому он не греется.

Основные виды

Рядовой пользователь не всегда знает о том, каким конденсатором снабжено его устройство. А ведь каждый вид имеет свои недостатки и преимущества, а также эксплуатационные особенности. Существуют две большие группы этих устройств, предназначенные для электрической цепи с переменным и постоянным током. Но всё-таки основная классификация ведётся по типу диэлектрика, который находится между облатками конденсатора. Основные виды:

• Керамические. Имеют маленький размер, малый ток утечки и небольшую индуктивность. Отлично работают в условиях высоких частот, в цепях пульсирующего, постоянного и переменного тока. Представлены в различном диапазоне напряжений и ёмкостей, в зависимости от того, для чего конденсатор предназначен.
• Слюдяные. В настоящее время почти не используются и не выпускаются. В накопителях такого типа диэлектриком служит слюда. Рабочее напряжение таких конденсаторов в диапазоне — 200−1500 В.
• Бумажные. В алюминиевых облатках заключена конденсаторная бумага. Выдерживают напряжение 160−1500 В.
• Полиэстеровые. Максимальная ёмкость не превышает 15 мФ, рабочее напряжение — 50−1500 В.
• Полипропиленовые. Выгодно выделяются на фоне остальных собратьев двумя преимуществами. Первое — маленький допуск ёмкости (+/- 1%), второе — до 3 кВ рабочего напряжения.

Отдельно стоит отметить электролитические конденсаторы. Главное их отличие от других видов — подключения только к цепи постоянного или пульсирующего тока. Такие накопители имеют полярность — это особенность их конструкции, поэтому неправильное подключение ведёт к вздутию или взрыву устройства. Они обладают большой ёмкостью, что делает конденсатор электролитический пригодным для применения в выпрямительных цепях.

Сферы применения

Можно смело сказать, что конденсаторы используют практически во всех электронных и радиотехнических схемах. Чтобы иметь представление о том, где и зачем нужен конденсатор, следует вспомнить его способность сохранять заряд и разряжаться в нужное время, а также пропускать переменный ток и не пропускать постоянный. А это значит, что такие устройства используются во многих технических сферах, например:

• телефонии;
• в производстве счётных и запоминающих устройств;
• автоматике;
• при создании измерительных приборов и многих других.

Электрические накопители можно встретить как в телевизорах, так и в приборах радиолокации, где необходимо формировать импульс большой мощности, для чего и служит конденсатор. Невозможно встретить блок питания без этих устройств или сетевой фильтр.

Нужно сказать, что накопители применяют и в сферах, не связанных с электрикой, например, в производстве металла и добыче угля, где используют конденсаторные электровозы.

Что такое конденсатор и для чего он нужен в схемах

Конденсатор — это вторая по популярности радиодеталь после резистора. Он важен и незаменим, участвует в формировании сигналов и фильтрации питания. А ведь изначально, самым первым конденсатором была лейденская банка, которая была изобретена в 1745 году. С тех пор конденсаторы стали неотъемлемой частью электроники.

Общая концепция

Конденсатор состоит из двух проводящих обкладок и диэлектрика между ними. И все, больше ничего. С виду простая радиодеталь, но работает на высоких и низких частотах по-разному.

Обозначается на схеме двумя параллельными линиями.

Принцип работы

Эта радиодеталь хорошо демонстрирует явление электростатической индукции. Разберем на примере.

Если подключить к конденсатору постоянный источник тока, то в начальный момент времени ток начнет скапливаться на обкладках конденсатора. Это происходит за счет электростатической индукции. Сопротивление практически равно нулю.

Электрическое поле за счет электростатической индукции притягивает разноименные заряды на две противоположные обкладки. Это свойство материи называется емкостью. Емкость есть у всех материалов. И даже у диэлектриков, но у проводников она значительно больше. Поэтому обкладки конденсатора выполнены из проводника.

Чем больше емкость — тем больше может накопиться зарядов на обкладках конденсатора, т.е. электрического тока.

Основное свойство конденсатора — это емкость. Она зависит от площади пластин, расстояния между ними и материала диэлектрика, которым заполняют пространство между обкладками.

Когда на обкладках не останется места для электрического тока, то и ток в цепи прекратится. Электростатическая индукция пропадает. Теперь остается электрическое поле, которое держит заряды на своих обкладках и не отпускает их. А электрическому току некуда деваться. Напряжение на конденсаторе станет равным ЭДС (напряжению) источнику тока.

А что будет, если повысить ЭДС (напряжение) источника тока? Электрическое поле начнет все сильнее давить на диэлектрик, поскольку места на обкладках уже нет. Но если напряжение на конденсаторе превысит допустимые знания, то диэлектрик пробьет. И конденсатор станет проводником, заряды освободятся, и ток пойдет по цепи. Как тогда использовать конденсатор для высоких напряжений? Можно увеличить размер диэлектрика и расстояние между обкладками, но при этом уменьшается емкость детали.

Между обкладками находится диэлектрик, который препятствует прохождению постоянного тока. Это именно барьер для постоянного тока. Потому, что постоянный ток создает и постоянное напряжение. А постоянное напряжение может создавать электростатическую индукцию только при замыкании цепи, то есть, когда конденсатор заряжается.

Так конденсатор может сохранять энергию до тех пор, пока к нему не подключится потребитель.

Конденсатор и цепь постоянного тока

Добавим в схему лампочку. Она загорится только во время зарядки.

Еще одна важная особенность — когда происходит процесс зарядки током, то напряжение отстает от тока. Напряжение как бы догоняет ток, поскольку сопротивление нарастает плавно, по мере зарядки. Электрические зарядам нужно время, чтобы переместиться к обкладкам конденсатора. Так называется время зарядки. Оно зависит от емкости, частоты и напряжения.

Лампочка затухает при полной зарядке.

Постоянный электрический ток не проходит через конденсатор только после его зарядки.

Цепь с переменным током

А что если поменять полярность на источнике тока? Тогда конденсатор начнет разряжаться, и снова заряжаться, поскольку меняется полярность источника.

Электростатическая индукция возникает постоянно, если электрический ток переменный. Каждый раз, когда ток начинает менять свое направление, начинается процесс зарядки и разрядки.

Поэтому, конденсатор пропускает переменный электрический ток.

Чем выше частота — тем меньше реактивное (емкостное) сопротивление конденсатора.

Назначение и функции конденсаторов

Конденсатор играет огромную роль как в аналоговой, так и цифровой технике. Они бывают электролитическими и керамическими, и отличаются своими свойствами, но не общей концепцией. Примеры использования:

• Фильтрует высокочастотные помехи;
• Уменьшает и сглаживает пульсации;
• Разделяет сигнал на постоянные и переменные составляющие;
• Накапливает энергию;
• Может использоваться как источник опорного напряжения;
• Создает резонанс с катушкой индуктивности для усиления сигнала.

Примеры использования

В усилителях обычно используются для защиты сабвуферов, фильтрации питания, термостабилизации и разделение постоянной составляющей от переменной. А электролитические в автономных схемах с микроконтроллерами могут долго обеспечивать питание за счет большой емкости.

В данной схеме транзистор VT1 постоянно открыт, чтобы усиливать звук без искажений. Но если вход замнется или на него поступи постоянный ток, то транзистор откроется, перейдет в насыщение и перегреется. Чтобы этого не допустить, нужен конденсатор. С1 позволяет отделить постоянную оставляющую от переменной. Переменный сигнал легко проходит на базу транзистора, а постоянный сигнал не проходит.

С2 совместно с резистором R3 выполняет функцию термостабилизации. Когда усилитель работает, транзистор нагревается. Это может внести искажения в сигнал. Поэтому, резистор R3 помогает удержать рабочую точку при нагреве. Но когда транзистор холодный и стабилизации не требуется резистор может уменьшить мощность усилителя. Поэтому, в дело вступает С2. Он проводит через себя усиленный сигнал шунтируя резистор, тем самым, не снижая номинальную мощность схемы. Если его емкость будет ниже расчетной, он начнет вносить фазовые искажения в выходной сигнал.

Чтобы схема качественно работала, обязательно хорошее питание. Когда схема в пиковые значения потребляет больше тока, то это всегда сильная нагрузка на источник питания. С3 фильтрует помехи по питанию и помогает снизить нагрузку. Чем больше емкость — тем лучше звук, но до определенных значений, все зависит от схемы.

А в блоках питания используется тот же принцип, как и в предыдущей схеме по питанию, но здесь емкость нужна гораздо больше. На этой схеме емкость элеткролита может быть как 1000 мкФ, так и 10 000 мкФ.

Еще на диодный мост можно параллельно включить керамические конденсаторы, которые будут шунтировать схему от высокочастотных наводок и шума сети 220 В.

Фазовые искажения

Конденсатор может искажать переменный сигнал по фазе. Это происходит из-за неверного расчета емкости, общего сопротивления и взаимодействия с другими радиодеталями. Не стоит забывать и о том, что любая радиодеталь имеет как реактивное, так и активное сопротивление.

Лабораторная по физике, или зачем нужны конденсаторы

Как обычно, поводом для проведения этой «лабораторной работы» послужил обычный радиолюбительский трёп о работе блоков питания в звуковоспроизводящей аппаратуре. Не в том смысле, как они работают, а в том, какую роль выполняют стоящие на их выходе электролитические конденсаторы. Зачем они нужны, если, допустим, напряжение уже достаточно хорошо сглажено после выпрямителя, а потом ещё и стабилизировано? Зачем дополнительные конденсаторы устанавливают в питающие цепи на плате усилителя? Почему в разных схемах усилителей, но примерно одинаковой мощности, эти конденсаторы сильно отличаются ёмкостью – где-то 10 000 мкФ ставят, а где-то 47 000 мкФ рекомендуется как минимальный номинал? И один из самых интересных вопросов – почему у усилителя нередко меняется тембральный баланс звучания при смене схемы источника питания? Хотя приборами это не фиксируется – амплитудно-частотная характеристика какая была, такая и осталась… И коэффициент нелинейных искажений на 1 кГц не изменился…

Вопросы бывают разные. Сложные и не очень, скучные и интересные. На некоторые вопросы известны ответы ещё со школьного курса физики – например формула «цэнаувквадратепополам», дающая понятие о накопленной конденсатором энергии. А часто ли этой формулой пользуется радиолюбитель, собирая очередную схему? Не знаю, как вы, а я – нет. Точечную сварку собирать пока не приходилось, а во все остальные конструкции ставлю электролитов «по-максимуму», т.е. всё, что в тумбочке найдётся. Скорее всего, потому что, когда-то собирая усилитель Акулиничева (это тот, который с глубокой ООС, из маленького журнала «Радио») посмотрел осциллографом падения напряжений на низкоомном резисторе в цепи питания во время воспроизведении музыки. Вот с тех пор и не экономлю на конденсаторах, хотя про «цэнаувквадратепополам» и не задумываюсь…

Теория, несомненно, вещь хорошая и, говорят, что не знать её — это плохо, но когда я честно взялся теоретически посчитать работу блока питания и конденсатора во время переходных процессов по «Справочнику по радиоэлектронике» (под редакцией А.А. Куликовского) и столкнулся с фразой «проводимость обратной передачи при короткозамкнутом входе, которая позволяет определить ток на короткозамкнутом входе, протекающий в результате действия напряжения на выходе четырёхполюсника», понял, что математический анализ радиотехнических цепей – это «явно не моё», что не зря мне ставили тройки по математике и что сразу после окончания школы надо было идти работать «учеником младшего черпальщика в ассенизационном обозе при холерных бараках», а не заниматься радиолюбительством… При упоминании о школьных годах из памяти сами собой всплывают лабораторные работы по физике, где иногда то, что сложно было понять теоретически, можно было посмотреть в «живом» эксперименте. Так почему бы и здесь не пойти по этому пути?

Насколько помню, при проведении экспериментов нужно выполнить ряд последовательных опытов с регистрацией получаемых результатов, а для понимания этих результатов нужно заранее обозначить цели и задачи. После некоторых раздумий над тем, что уже успел посчитать теоретически, пришёл к выводу, что основное, что интересует — это как распределяются в источнике питания токи, потребляемые усилителем низкой частоты во время работы со звуком. Другими словами – что «видит» усилитель по шинам питания? Каково внутреннее сопротивление источника питания при разных частотах работы усилителя? Под словами «источник питания» в данном случае можно подразумевать и аккумулятор, и трансформатор с выпрямителем (часто со стабилизатором), и конденсаторы, стоящие как на их выходах, так и непосредственно на плате усилителя (рис.1).

Все основные описанные здесь эксперименты проведены с использованием однополярного питания 12В и каскада эмиттерного повторителя (токового усилителя) в качестве нагрузки (рис.2) с током покоя 0,97 А. На вход повторителя подавался синусоидальный сигнал с генератора Г3-118 такого уровня, чтобы на нагрузке 10 Ом выходное напряжение составляло 2,5 В(rms) (измерено мультиметром ВР-11А). Коэффициент нелинейных искажений сигналов не контролировал. Выходное сопротивление повторителя на частоте 100 Гц — около 0,2 Ом. Усилитель собран навесным монтажом на выводах транзистора, прикрученного к радиатору и подключался к источнику питания проводниками длиной 20 см и сечением 1,57 кв.мм. Резистор нагрузки во всех вариантах «холодным» концом был подключен отдельным проводом к минусовому выводу аккумулятора или конденсатора в блоке питания.

Для того чтобы увидеть, как распределяются токи, в контрольные места ставил низкоомные резисторы, выполненные из нихромовой проволоки (рис.3). Их сопротивление – 0,075 Ом. В некоторых случаях, для снижения влияния их сопротивления на измерения, они включались параллельно по 2-3 штуки. Снимаемое с них напряжение падения подавалось в звуковую карту компьютера с закрытым входом и регистрировалось программой SpectraPLUS в диапазоне от 10 Гц 20 кГц.

Используемый компьютер и программа позволили уверенно регистрировать сигнал уровнем от 1 мВ. На резисторе 0,075 Ом он появляется при прохождении тока силой в 13,3 мА. Можно считать это «нижним уверенным» порогом измерений.

В тексте встречаются слова «положительная полуволна» и «отрицательная». На самом деле, в большинстве случаев это будет относиться не к переменным напряжениям и токам, а к постоянным, но пульсирующим. Например, если на усилитель (рис.2) не подавать синусоидальный сигнал, то на резисторе R4 присутствует только постоянное напряжение около 73 мВ, а если подавать, то оно начнёт увеличиваться и уменьшаться, пропорционально сигнальному напряжению. При 2,5 В(rms) выходного напряжения максимальный потенциал на R4 будет около 115 мВ, минимальный – 31 мВ. Вот эти амплитудные 42-милливольтовые полуволны относительно 73 мВ и подразумеваются как «положительные» и «отрицательные».

Первые эксперименты проводились при питании усилителя от 12-тивольтовой аккумуляторной батареи ёмкостью 7,2 А/ч. В наличии было две старые и одна новая – на старых проводились черновые работы, а затем, при подключении новой, снимались окончательные результаты. Заодно проверялось влияние на показания изменение внутреннего сопротивления по постоянному току у источника питания. Новый аккумулятор имел внутреннее сопротивление около 0,1-0,11 Ом, старые – 0,27-0,35 Ом.

Первый эксперимент. В месте подвода провода положительного напряжения впаян резистор 0,075 Ом (рис.4). Падение напряжений фиксировались при подаче на вход повторителя сигналов четырёх частот длительностью по нескольку секунд – 10,1 Гц, 101 Гц, 1010 Гц и 10100 Гц (для упрощения, далее по тексту они будут фигурировать, как 10 Гц, 100 Гц, 1 кГц и 10 кГц). Сигналы подавались последовательно, начиная с 10 Гц. На рисунке 5 видно, что при всех частотах амплитуды тока достигают примерно одинаковых значений, что говорит о том, что потребляемая мощность одинакова на всех частотах и никаких потерь и искажений в контролируемом диапазоне частот нет. Небольшой подъём уровня на частоте 10 кГц обусловлен подъёмом АЧХ звуковой карты компьютера примерно на 1,5 dB на частотах около 12 кГц.

Затем последовательно с R3 (показан на рис.2) и с Rнагрузки были установлены резисторы по 0,075 Ом. Снятые с них сигналы показаны на рисунке 6. Здесь можно увидеть распределение токов и посчитать их сумму – она равна амплитудам сигналов на резисторе, стоящем в питающем проводе (36 мВ + 29 мВ = 65 мВ).

Далее к коллектору транзистора и нижнему выводу R4 были подпаяны три конденсатора по 2200 мкФ каждый. «Три в параллель» взяты для того, чтобы получить малое внутреннее сопротивление (ESR). Суммарная их ёмкость, естественно, стала 6600 мкФ. Провода, используемые для коммутации конденсаторов, были максимально короткой длины и сечением 3,14 мм.кв. На рисунке 7 показано падение напряжений на резисторе в питании при подаче на вход усилителя сигналов разных частот. Амплитуда на 10 Гц стала около 0,061 мВ, на 100 Гц – 55 мВ, на 1 кГц – 22 мВ, на 10 кГц – 12 мВ. Думается, что если мощность, потребляемая усилителем, осталась та же, а уровень пульсирующего тока, проходящего через аккумулятор, уменьшился, то это означает, что ток нашёл другой путь – в данном случае, через конденсаторы.

При увеличении ёмкости до 123000 мкФ множеством включенных параллельно электролитических конденсаторов и установкой дополнительно 12 мкФ плёночных, получился график, показанный на рисунке 8. Амплитуда на 10 Гц упала до 40 мВ, на 100 Гц – до 9 мВ.

Решил посмотреть, как распределятся токи в более слаботочной схеме. Всё-таки, в формуле, определяющей протекающий через конденсатор ток, говорится о том, что он (ток) пропорционален скорости изменения напряжения на конденсаторе – Ic=C*(dU/dt). Это, насколько понимаю, говорит о том, что и при малой амплитуде высокочастотного сигнала, и при большой, но низкочастотного, мгновенные токи могут быть одинаковыми. Надо проверить. Для этого увеличил сопротивление резистора в эмиттере транзистора до 100 Ом и Rнагр до 200 Ом. Ток покоя усилителя стал около 75 мА. Судя по рисунку 9, заметно небольшое увеличение при 10 кГц, а в основном распределение токов не изменилось, пропорции остались примерно такие же, уменьшился только амплитуды (поэтому градация вертикальной шкалы изменена для лучшей наглядности) и повысилась «лохматость» от помех при малых уровнях – всё-таки, амплитуда сигнала на 1 кГц около 0,5 мВ. Получается, разница межу токами в 970 мА и 75 мА не позволяет оценить изменения.

Попробовал ещё уменьшить ток покоя эмиттерного повторителя — примерно до 25 мА. В нагрузку поставил сопротивление 10 кОм. Резистор в питании увеличил до 1 Ом. При первой проверке оказалось, что все пульсации тока стали меньше уровня наводок и шумов, т.е. можно сказать, что при ёмкости конденсатора в 123000 мкФ он все переменные токи пропускает через себя. Последовательное уменьшение его ёмкости показало, что при 68000 мкФ сигналы при 10 Гц начинают превышать уровень помех. При 33000 мкФ и подаче на вход усилителя частот от 10 Гц до 100 Гц с шагом 10 Гц токовые амплитуды выглядят так, как показано на рисунке 10. Градация горизонтальной сетки равна 1 мВ на деление.

На рисунке 11 показаны данные, снятые при уменьшении уровня сигнала на входе эмиттерного повторителя до 1 В. Это опять проверка формула расчёта тока через конденсатор. Хоть уровни и уменьшились, но всё равно видно, что отношения амплитуд на частотах 10 Гц и 100 Гц поменялись.

Оставил в питании усилителя три конденсатора общей ёмкостью 6600 мкФ. Т.е. такой же, с которой снимались показания на рисунке 7. На рисунке 12 показан ток через резистор в питании 1 Ом при последовательности входных сигналов от 10 Гц до 100 Гц (с шагом в 10 Гц) и далее, с шагом в 100 Гц, до 1 кГц. Сравнивать с рисунком 7 можно по отношению амплитуд на частотах 10 Гц, 100 Гц, 1 кГц. Видно, что здесь импульсы при 100 Гц намного меньше.

Посмотрел, как распределяются токи через аккумулятор и конденсатор при большой ёмкости конденсатора и больших токах. Вернул схему в режим с током покоя 0,97 А, нагрузка – 10 Ом, в цепь питания установил резистор сопротивлением 0,025 Ом и такой же резистор установил последовательно с конденсатором 123000 мкФ (рис.13, конденсатор в эмиттере и нагрузка не показаны, но они стоят в схеме). Сигналы, снятые с резисторов при работе усилителя на разных частотах (

2,5 В) показаны на рисунке 14, где видно, что на частоте 10 Гц ток больший ток течёт через аккумулятор, а на частотах 100 Гц и выше – через конденсатор.

Теперь несколько экспериментов с блоком питания на стабилизаторе LM7812. Схема включения стандартная (рис.15), из даташита. В качестве сетевого трансформатора применён преобразовательный из источника бесперебойного питания для компьютера. Микросхема-стабилизатор установлена на радиаторе, к её выводам подпаяна плата из фольгированного гетинакса, на которой навесным монтажом расположены остальные детали (рис.16). Конденсаторы С2 иС3 взяты в SMD исполнении. На плате сделаны дополнительные площадки, чтобы в любую часть схемы можно было поставить низкоомные резисторы 0,075 Ом.

Сначала были сняты данные при подключении эмиттерного повторителя по рисунку 4. Ток покоя 0,97А, нагрузка 10 Ом, напряжение НЧ сигнала 2,5 В. Конденсатор ёмкостью 4700 мкФ стоит в блоке питания. На рисунке 17 показаны пульсации тока через резистор 0,075 Ом при частотах 10 Гц, 100 Гц, 1 кГц и 10 кГц. Уровни амплитуд немного больше, чем на рисунке 5. Скорее всего, потому что стабилизатор LM7812 точно удерживает выходное напряжения за счёт внутренней обратной связи, не допускает его просадки и поэтому, надо полагать, его внутреннее сопротивление по «переменке» меньше чем у аккумулятора.

Следующие рисунки 18, 19 и 20 – при установке в питание повторителя конденсаторов ёмкостью 6600 мкФ, 33000 мкФ и 123000 мкФ, соответственно. Хорошо видны изменения в уровнях.

Теперь проверка слаботочной цепи. Уменьшил ток покоя повторителя до 25 мА и входное НЧ напряжение до 1 В. В нагрузке стоит сопротивление 10 кОм, резистор в питании 1 Ом. Так же менял ёмкости конденсаторов и снимал показания (рисунки 21, 22 и 23 соответствуют конденсаторам ёмкостью 6600 мкФ, 33000 мкФ и 123000 мкФ). Градация вертикальной шкалы 1 мВ на деление. На рисунке 21 заметно некоторое увеличение амплитуд тока при работе повторителя с 10 кГц, как и на рисунке 9, только там оно меньше. Скорее всего, это связано с внутренним (конструктивным) резонансом трёх конденсаторов по 2200 мкФ – они все одного типа и куплены были в одно время в составе одной партии. Проявляется этот резонанс только с этими конденсаторами, при малых тока нагрузки и при рабочих частотах повторителя от 8 кГц и выше.

На рисунке 24 показаны пульсации питающих напряжений на конденсаторе С4 в блоке питания (верхний) и на конденсаторе 123000 мкФ в «слаботочном» усилителе (нижний).

А на рисунке 25 – то же самое, но в «сильноточном режиме» — Iх.х.=0,97А, Rнагр.=10 Ом, Uперем.=2,5 В.

Напоследок собрал параметрический стабилизатор на стабилитроне и полевом транзисторе (рис.26). Кажется, он в таком включении работает и как фильтр «электронный дроссель». Рисунки 27, 28 и 29 – при установке в питание повторителя (в «сильноточном режиме») конденсаторов ёмкостью 6600 мкФ, 33000 мкФ и 123000 мкФ, соответственно.

Судя по тому, что амплитуда токов в сравнении с рисунками 18, 19 и 20 стала заметно меньше, этот стабилизатор обладает большим сопротивлением по переменному току.

Категоричных и далекоидущих выводов из показанных графиков делать не буду, наверное, каждый для себя сам решает, на что обращать внимание, но, думаю, что установка резистора сопротивлением до нескольких Ом в разрыв цепи после моста (перед «электролитом») должна помочь отфильтровать помехи со стороны моста, а установка такого же (или больше) по номиналу резистора по выходу стабилизатора (или транзистора), но, опять же до»электролита» (С4 на рис.15 или С6 на рис.26), нивелировать действия блока питания. Конечно, при наличии на плате усилителя конденсаторов большой ёмкости.

При желании пересчитать показания графиков в отношения сопротивлений в «цифровом виде», можно использовать формулу расчёта реактивного емкостного сопротивления конденсатора — Rс = 1/(2*3,14*F*C) и формулу, говорящую о том, что ток через конденсатор пропорционален скорости изменения его напряжения — Ic = C*(dU/dt). Но при расчёте нужно учитывать сопротивления мест пайки, соединительных проводов и их же индуктивность. Все мгновенные просадки питания в усилителе, думается, можно через формулу расчёта энергии накопленной на конденсаторе – W=(C*U*U)/2 привести к потребляемой усилителем мощности в моменты пикового потребления.

К статье прикреплены файлы, сделанные программой SpectraPLUS и соответствующие рисункам 27, 28 и 29.

Хочется выразить огромную благодарность школьному учителю физики – Трусову Юрию Георгиевичу за привитую любовь к экспериментальной физике и электричеству. А также большое спасибо другу с детства, тоже радиолюбителю, за организацию, можно сказать, «мозгового штурма», приведшего к сокращению текста статьи почти втрое. Ну, и само собой, господам Ому и Кирхгофу за законы и правила, которые радиолюбители соблюдают чаще остальных. В смысле, чаще остальных законов, а не чаще других людей. 🙂