Цепь с емкостью

Полярные и неполярные конденсаторы — в чем отличие

Всевозможные типы конденсаторов, используемые сегодня практически всюду в электронике и электротехнике, в качестве диэлектрика содержат различные вещества. Однако, что касается конкретно электролитических конденсаторов, в частности также танталовых и полимерных, то для них при включении в схему важно строгое соблюдение полярности. Если такой конденсатор включить в цепь неправильно, то он не сможет нормально работать. Данные конденсаторы называются поэтому полярными.

В чем же заключается принципиальное отличие полярного конденсатора от неполярного, почему одним конденсаторам все равно как быть включенными в схему, а другим принципиально важно соблюдение полярности? В этом и попробуем сейчас разобраться.

Дело здесь в том, что процесс изготовления электролитических конденсаторов сильно отличается от, скажем, керамических или полипропиленовых. Если у последних двух как обкладки, так и диэлектрик однородны по отношению друг к другу, то есть нет различия в структуре на границе обкладка-диэлектрик с обеих сторон диэлектрика, то электролитические конденсаторы (цилиндрические алюминиевые, танталовые, полимерные) имеют различие в структуре перехода диэлектрик-обкладка с двух сторон диэлектрика: анод и катод отличаются по химическому составу и физическим свойствам.

Когда изготавливают электролитический алюминиевый конденсатор, то не просто скручивают в рулон две одинаковые обкладки из фольги, проложенные пропитанной электролитом бумагой.

Со стороны анодной обкладки (на которую подается +) присутствует слой оксида алюминия, нанесенный на травленую поверхность фольги особым способом. Анод призван отдавать электроны через внешнюю цепь катоду в процессе заряда конденсатора.

Отрицательная обкладка (катод) — просто алюминиевая фольга, на нее в процессе заряда приходят электроны по внешней цепи. Электролит здесь служит проводником ионов.

Так же обстоит дело и с танталовыми конденсаторами, где в качестве анода служит порошок тантала, на котором формируется пленка пентаоксида тантала (анод связан с оксидом!), несущего функцию диэлектрика, затем идет слой полупроводника — диоксида марганца в качестве электролита, затем серебряный катод, с которого будут уходить электроны в процессе разряда.

Полимерные электролитические конденсаторы в качестве катода используют легкий проводящий полимер, а в остальном все процессы аналогичны. Суть — окислительная и восстановительная реакции, как в аккумуляторной батарее. Анод окисляется во время электрохимической реакции разрядки, а катод восстанавливается.

Когда электролитический конденсатор заряжен, то имеет место избыток электронов на его катоде, на минусовой обкладке, сообщающий как раз отрицательный заряд этой клемме, а на аноде — недостаток электронов, дающий положительный заряд, таким образом получаем разность потенциалов.

Если заряженный электролитический конденсатор замкнуть на внешнюю цепь, то избыточные электроны побегут от отрицательно заряженного катода к положительно заряженному аноду, и заряд будет нейтрализован. В электролите положительные ионы движутся в этот момент от катода к аноду.

Если включить такой полярный конденсатор в цепь неправильно, то описанные реакции не смогут нормально протекать, и конденсатор не будет нормально работать. Неполярные же конденсаторы могут работать в любом включении, поскольку в них нет ни анода, ни катода, ни электролита, и их обкладки взаимодействуют с диэлектриком одинаково, ровно как и с источником.

А что если под рукой есть только полярные электролитические конденсаторы, а нужно осуществить включение конденсатора в цепь тока с меняющейся полярностью? Для этого существует одна хитрость. Нужно взять два одинаковых полярных электролитических конденсатора, и соединить их между собой последовательно одноименными клеммами. Получится один неполярный конденсатор из двух полярных, емкость которого будет в 2 раза меньше каждого из двух его составляющих.

На этой основе, кстати, изготавливают неполярные электролитические конденсаторы, в которых слой оксида присутствует на обеих обкладках. По этой причине неполярные электролитические конденсаторы имеют значительно больший размер, чем полярные аналогичной емкости. Основываясь на данном принципе, изготавливают также электролитические пусковые неполярные конденсаторы, рассчитанные на работу в цепях переменного тока частотой 50-60 Гц.

Смотрите также: Конденсаторы в электронных схемах

Андрей Повный

Зависимость емкости конденсатора от частоты и напряжения

Емкость конденсатора при повышении частоты уменьшается, так как уменьшается диэлектрическая проницаемость диэлектрика, обусловленная ослаблением релаксационных видов поляризации.

Если же в диэлектрике имеет место только электронная и ионная поляризация, то диэлектрическая проницаемость в широком диапазоне частот не должна зависеть от частоты, а следовательно не должна изменяться и емкость. Но и в этом случае емкость может изменяться за счет влияния конструктивных элементов конденсатора: его индуктивности и сопротивления обкладок и выводов.

Наличие индуктивности в конденсаторе дает увеличение его действующей емкости с ростом частоты (рис. 30), так как ток будет возрастать за счет компенсации реактивного емкостного сопротивления индуктивным сопротивлением.

Приравняем значения полных сопротивлений:

конденсатора с индуктивностью, L и емкостью

эквивалентного ему конденсатора с действующей емкостью , без индуктивности.

Пренебрегая наличием активного сопротивления можно написать:

откуда

Зависимость от частоты увеличивается как при увеличении индуктивности L так и при увеличении емкости при заданной индуктивности.

Наличие активного сопротивления r, включенного последовательно с емкостью С должно ограничивать ток, протекающий через конденсатор, причем этот эффект должен быть заметнее при увеличении частоты, так как с увеличением частоты падает емкостное реактивное сопротивление и влияние активного сопротивления на величину тока возрастает (рис. 31).

Величину можно вычислить по формуле:

Увеличение емкости С при заданном r усиливает частотную зависимость.

В обычных конденсаторах сопротивление обкладок и выводов, определяющее величину r, мало, а поэтому снижение емкости C с увеличением частоты f можно заметить лишь в области радиочастот, даже при больших емкостях.

Выражения и являются приближенными, хотя и правильно характеризуют качественный характер частотной зависимости емкости.

Как частотная зависимость диэлектрической проницаемости, так и влияние активного сопротивления вызывают уменьшение емкости от частоты; увеличение емкости может быть обусловлено только влиянием индуктивности.

Как для полярных, так и для неполярных диэлектриков величина диэлектрической проницаемости не зависит от напряженности, а поэтому для большинства типов конденсаторов емкость не должна зависеть от величины приложенного напряжения.

Небольшое увеличение емкости при увеличении напряжения выше напряжения ионизации может наблюдаться для конденсаторов, диэлектрик которого содержит значительное число воздушных включений.

В сегнетокерамических конденсаторах диэлектрик обладает спонтанной поляризацией, для которой характерна зависимость диэлектрической проницаемости от напряжения. Для них емкость сильно зависит от напряжения, что используется для изготовления нелинейных конденсаторов – «варикондов».

В разделе Естественные науки на вопрос Правда, что постоянный ток через конденсатор не течет?? заданный автором Artem Klementiev лучший ответ это Если в цепь постоянного тока мы включим батарею конденсаторов, то никакого тока не обнаружим, что вполне понятно, так как пластины конденсатора отделены друг от друга изолятором. В цепи, содержащей конденсатор, постоянный ток существовать не может.
Если же включить батарею конденсаторов в цепь переменного тока, то по цепи пойдет ток.
Это объясняется следующим образом. В случае переменного тока происходит периодическая зарядка и разрядка конденсатора под действием переменного напряжения. Из этого следует, что если какаянибудь из обкладок конденсатора имела в течение полупериода отрицательный заряд, то в следующие полпериода на ней появится положительный заряд.
Итак, перезарядка конденсатора вызывает перемещение зарядов по цепи, т. е. электрический ток. Стрелка включенного в цепь амперметра даст отклонение.
Сила тока будет тем больше, чем больше переносимый заряд, т. е. чем больше емкость конденсатора, и чем чаще происходит перезарядка обкладок конденсатора, т. е. чем больше частота.

Конденсатор – элемент, способный накапливать электрическую энергию. Название происходит от латинского слова «condensare» — «сгущать», «уплотнять».

Первый конденсатор был создан в 1745 году Питером ванн Мушенбруком. В честь города Лейдена, в котором его создали, изобретение впоследствии назвали «Лейденской банкой».

Конденсатор состоит из металлических электродов – обкладок, между которыми находится диэлектрик. По сравнению с обкладками, диэлектрик имеет небольшую толщину. Это и определяет свойство конденсатора накапливать заряд: положительные и отрицательные заряды на его обкладках удерживают друг друга, взаимодействуя через тонкий непроводящий слой.

Емкость конденсатора зависит от:

  • площади обкладок (S);
  • расстояния между ними (d);
  • диэлектрической проницаемости материала диэлектрика между обкладками (ԑ).

Параметры конденсатора

Связаны они между собой формулой (формула емкости конденсатора):

Для увеличения площади обкладок пластины некоторых конденсаторов изготавливают из полосок фольги, разделенных полоской диэлектрика и скрученных в рулон. Увеличить емкость также можно уменьшением толщины диэлектрика между обкладками и применением материалов с большей диэлектрической проницаемостью. Между обкладками конденсаторов располагают твердые, жидкие вещества и газы, в том числе и воздух.

Из формулы очевиден и такой факт: даже при небольших площадях обкладок и на любых расстояниях между обкладками емкость не равна нулю. Два проложенных рядом проводника тоже обладают емкостью. В связи с этим высоковольтная кабельная линия способна накапливать заряд, а на высоких частотах проводники вносят в устройства связи «паразитные» емкости, с которыми приходится бороться.

Конденсаторы небольшой емкости получают на печатных платах, располагая две дорожки напротив друг друга.

Каким бы качественным не был диэлектрик в конденсаторе, он все равно имеет сопротивление. Его величина велика, но в заряженном состоянии конденсатора ток между обкладками все равно есть. Это приводит к явлению «саморазряда»: заряженный конденсатор со временем теряет свой заряд.

Принцип работы конденсатора: его заряд и разряд

Заряд конденсатора. В момент подключения к источнику постоянного тока через конденсатор начинает протекать ток заряда. Он убывает по мере зарядки конденсатора и в итоге падает до величины тока саморазряда, определяющегося проводимостью материала диэлектрика.

Напряжение на конденсаторе плавно нарастает от нуля до напряжения источника питания.

Схема заряда конденсатораВременные характеристики заряда конденсатора

При заряде конденсатора ток и напряжение изменяются по экспоненциальному закону. Время заряда можно определить по формуле:

Если сопротивление в формулу подставить в Омах, в емкость – в Фарадах, то получим время в секундах, за которое напряжение на конденсаторе изменится в е ≈ 2,72 раз. Конденсатор большей емкости будет разряжаться дольше, и быстрее разрядится на меньшую величину сопротивления.

Разряд конденсатора. Если к заряженному конденсатору подключить сопротивление нагрузки, то ток через нее вначале будет максимальным, затем плавно упадет до нуля. Напряжение на его обкладках тоже будет изменяться по экспоненциальному закону.

Схема разряда конденсатораВременные характеристики разряда конденсатора

Применение конденсаторов

Наряду с резисторами конденсаторы являются самыми распространенными компонентами. Ни одно электронное изделие не может без него обойтись. Вот краткий перечень направлений использования конденсаторов.

Блоки питания: в качестве сглаживающих фильтров при преобразовании пульсирующего тока в постоянный.

Звуковоспроизводящая техника: создание при помощи RC-цепочек элементов схем, пропускающих звуковые сигналы одних частот и задерживая остальные. За счет этого удается регулировать тембр и формировать амплитудно-частотные характеристики устройств.

Радио- и телевизионная техника: совместно с катушками индуктивности конденсаторы используются в составе устройств настройки на передающую станцию, выделения полезного сигнала, фильтрации помех.

Электротехника. Для создания фазовых сдвигов в обмотках однофазных электродвигателей или в схемах подключения трехфазных двигателей в однофазную сеть. Используются в установках, компенсирующих реактивную мощность.

При помощи конденсаторов можно накопить заряд, превышающий по мощности источник питания. Это используется для работы фотовспышек, а также в установках для отыскания повреждений в кабельных линиях, выдающих мощный высоковольтный импульс в место повреждения.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *