Как определить мощность конденсатора

Конденсаторы для «чайников»

Если вы регулярно занимаетесь созданием электрических схем, вы наверняка использовали конденсаторы. Это стандартный компонент схем, такой же, как сопротивление, который вы просто берёте с полки без раздумий. Мы используем конденсаторы для сглаживания пульсаций напряжения/тока, для согласования нагрузок, в качестве источника энергии для маломощных устройств, и других применений.

Но конденсатор – это не просто пузырёк с двумя проводочками и парой параметров – рабочее напряжение и ёмкость. Существует огромный массив технологий и материалов с разными свойствами, применяемых для создания конденсаторов. И хотя в большинстве случаев для любой задачи сгодится практически любой конденсатор подходящей ёмкости, хорошее понимание работы этих устройств может помочь вам выбрать не просто нечто подходящее, а подходящее наилучшим образом. Если у вас когда-нибудь была проблема с температурной стабильностью или задача поиска источника дополнительных шумов – вы оцените информацию из этой статьи.

Начнём с простого

Лучше начать с простого и описать основные принципы работы конденсаторов, прежде чем переходить к настоящим устройствам. Идеальный конденсатор состоит из двух проводящих пластинок, разделённых диэлектриком. Заряд собирается на пластинах, но не может перетекать между ними – диэлектрик обладает изолирующими свойствами. Так конденсатор накапливает заряд.

Ёмкость измеряется в фарадах: конденсатор в один фарад выдаёт напряжение в один вольт, если в нём находится заряд в один кулон. Как и у многих других единиц системы СИ, у неё непрактичный размер, поэтому, если не брать в расчёт суперконденсаторы, о которых мы здесь говорить не будем, вы скорее всего встретитесь с микро-, нано- и пикофарадами. Ёмкость любого конденсатора можно вывести из его размеров и свойств диэлектрика – если интересно, формулу для этого можно посмотреть в Википедии. Запоминать её не нужно, если только вы не готовитесь к экзамену – но в ней содержится один полезный факт. Ёмкость пропорциональна диэлектрической проницаемости εr использованного диэлектрика, что в результате привело к появлению в продаже различных конденсаторов, использующих разные диэлектрические материалы для достижения больших ёмкостей или улучшения характеристик напряжения.

Паразитные индуктивность и сопротивление реального конденсатора

С использованием диэлектриков в конденсаторах есть одна проблемка, наряду с тем, что диэлектрик с нужными характеристиками обладает неприятными побочными эффектами. У всех конденсаторов есть небольшие паразитные сопротивление и индуктивность, которые иногда могут влиять на его работу. Электрические постоянные меняются от температуры и напряжения, пьезоэлектричества или шума. Некоторые конденсаторы стоят слишком дорого, у некоторых существуют состояния отказа. И вот мы подошли к основной части статьи, в которой расскажем о разных типах конденсаторов, и об их свойствах, полезных и вредных. Мы не будем освещать все возможные технологии, хотя большинство обычных мы опишем.

Алюминиевые электролитические

Алюминиевые электролитические конденсаторы используют анодно-оксидированный слой на алюминиевом листе в качестве одной пластины-диэлектрика, и электролит из электрохимической ячейки в качестве другой пластины. Наличие электрохимической ячейки делает их полярными, то есть напряжение постоянного тока должно прикладываться в одном направлении, и анодированная пластина должна быть анодом, или плюсом.

На практике их пластины выполнены в виде сэндвича из алюминиевой фольги, завёрнутой в цилиндр и расположенной в алюминиевой банке. Рабочее напряжение зависит от глубины анодированного слоя.

У электролитических конденсаторов наибольшая среди распространённых ёмкость, от 0,1 до тысяч мкФ. Из-за плотной упаковки электрохимической ячейки у них наблюдается большая эквивалентная последовательная индуктивность (equivalent series inductance, ESI, или эффективная индуктивность), из-за чего их нельзя использовать на высоких частотах. Обычно они используются для сглаживания питания и развязывания, а также связывания на аудиочастотах.

Танталовые электролитические


Танталовый конденсатор поверхностного размещения

Танталовые электролитические конденсаторы изготавливаются в виде спечённого танталового анода с большой площадью поверхности, на которой выращивается толстый слой оксида, а затем в качестве катода размещается электролит из диоксида марганца. Комбинация большой площади поверхности и диэлектрических свойств оксида тантала приводит к высокой ёмкости в пересчёте на объём. В результате такие конденсаторы выходят гораздо меньше алюминиевых конденсаторов сравнимой ёмкости. Как и у последних, у танталовых конденсаторов есть полярность, поэтому постоянный ток должен идти в строго одном направлении.

Их доступная ёмкостью варьируется от 0,1 до нескольких сотен мкФ. У них гораздо меньше сопротивление утечки и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), в связи с чем они используются в тестировании, измерительных приборах и высококачественных аудиоустройствах – там, где эти свойства полезны.

В случае танталовых конденсаторов необходимо особенно следить за тем, чтобы они не вышли из строя — бывает, что в таком случае они загораются. Аморфный оксид тантала – хороший диэлектрик, а в кристаллической форме он становится хорошим проводником. Неправильное использование танталового конденсатора – например, подача слишком большого пускового тока может привести к переходу диэлектрика в другую форму, что увеличит проходящий через него ток. Правда, репутация, связанная с возгораниями, появилась у более ранних поколений танталовых конденсаторов, и улучшенные методы производства привели к созданию более надёжной продукции.

Полимерные плёнки

Целое семейство конденсаторов использует полимерные плёнки в качестве диэлектриков, а плёнка либо находится между витыми или перемежающимися слоями металлической фольги, либо имеет металлизированный слой на поверхности. Их рабочее напряжение может доходить до 1000 В, но высокими ёмкостями они не обладают – это обычно от 100 пФ до единиц мкФ. У каждого вида плёнки есть свои плюсы и минусы, но в целом всё семейство отличается более низкими ёмкостью и индуктивностью, чем у электролитических. Посему они используются в высокочастотных устройствах и для развязывания в электрически шумных системах, а также в системах общего назначения.

Полипропиленовые конденсаторы используются в схемах, требующих хорошей тепловой и частотной стабильности. Также они используются в системах питания, для подавления ЭМП, в системах, использующих переменные токи высокого напряжения.

Полиэстеровые конденсаторы, хотя и не обладают такими температурными и частотными характеристиками, получаются дешёвыми и выдерживают большие температуры при пайке для поверхностного монтажа. В связи с этим они используются в схемах, предназначенных для использования в некритичных приложениях.

Полиэтилен-нафталатовые конденсаторы. Не обладают стабильными температурными и частотными характеристиками, но могут выдерживать гораздо большие температуры и напряжения по сравнению с полиэстеровыми.

Полиэтилен-сульфидовые конденсаторы обладают температурными и частотными характеристиками полипропиленовых, и в дополнение выдерживают высокие температуры.

В старом оборудовании можно наткнуться на поликарбонатные и полистиреновые конденсаторы, но сейчас они уже не используются.

Керамика

История керамических конденсаторов довольно длинная – они использовались с первых десятилетий прошлого века и по сей день. Ранние конденсаторы представляли собою один слой керамики, металлизированной с обеих сторон. Более поздние бывают и многослойными, где пластины с металлизацией и керамика перемежаются. В зависимости от диэлектрика их ёмкости варьируются от 1 пФ до десятков мкФ, а напряжения достигают киловольт. Во всех отраслях электроники, где требуется малая ёмкость, можно встретить как однослойные керамические диски, так и многослойные пакетные конденсаторы поверхностного монтажа.

Проще всего классифицировать керамические конденсаторы по диэлектрикам, поскольку именно они придают конденсатором все свойства. Диэлектрики классифицируют по трёхбуквенным кодам, где зашифрована их рабочая температура и стабильность.

C0G лучшая стабильность в ёмкости по отношению к температуре, частоте и напряжению. Используются в высокочастотных схемах и других контурах высокого быстродействия.

X7R не обладают такими хорошими характеристиками по температуре и напряжению, посему используются в менее критичных случаях. Обычно это развязывание и различные универсальные приложения.

Y5V обладают гораздо большей ёмкостью, но характеристики температуры и напряжения у них ещё ниже. Также используются для развязывания и в различных универсальных приложениях.

Поскольку керамика часто обладает и пьезоэлектрическими свойствами, некоторые керамические конденсаторы демонстрируют и микрофонный эффект. Если вы работали с высокими напряжениями и частотами в аудиодиапазоне, например, в случае ламповых усилителей или электростатики, вы могли услышать, как «поют» конденсаторы. Если вы использовали пьезоэлектрический конденсатор для обеспечения частотной стабилизации, вы могли обнаружить, что его звук модулируется вибрацией его окружения.

Как мы уже упоминали, статья не ставит целью охватить все технологии конденсаторов. Взглянув в каталог электроники вы обнаружите, что некоторые технологии, имеющиеся в наличии, здесь не освещены. Некоторые предложения из каталогов уже устарели, или же имеют такую узкую нишу, что с ними чаще всего и не встретишься. Мы надеялись лишь развеять некоторые тайны по поводу популярных моделей конденсаторов, и помочь вам в выборе подходящих компонентов при разработке собственных устройств. Если мы разогрели ваш аппетит, вы можете изучить нашу статью по катушкам индуктивности.

Об обнаруженных вами неточностях и ошибках прошу писать через личные сообщения сайта. Спасибо.

Калькулятор расчета емкости рабочего и пускового конденсаторов

При подключении асинхронного электродвигателя в однофазную сеть 220/230 В необходимо обеспечить сдвиг фаз на обмотках статора, чтобы сделать имитацию вращающегося магнитного поля (ВМП), которое заставляет вращаться вал ротора двигателя при подключению его в «родные» трехфазные сети переменного тока. Известная многим, кто знаком с электротехникой, способность конденсатора давать электрическому току «фору» на π/2=90° по сравнению с напряжением, оказывает хорошую услугу, так как это создает необходимый момент, заставляющий вращаться ротор в уже «не родных» сетях.

Калькулятор расчета рабочего и пускового конденсаторов

Калькулятор расчета рабочего и пускового конденсаторов

Но конденсатор для этих целей необходимо подбирать, причем нужно делать с высокой точностью. Именно поэтому читателям нашего портала предоставляется в абсолютное безвозмездное пользование калькулятор расчета емкости рабочего и пускового конденсатора. После калькулятора будут даны необходимые разъяснения по всем его пунктам.

Читайте также  Изотермический контейнер что это такое

Калькулятор расчета емкости рабочего и пускового конденсаторов

Для расчета использовались следующие зависимости:

Способ подключения обмоток и схема подключения рабочего и пускового конденсаторов Формула
Подключение «Звездой» Емкость рабочего конденсатора – Ср
00021 Cр=2800*I/U; I=P/(√3*U*η*cosϕ); Cр=2800*P/(/(√3*U²*η*cosϕ).
Подключение «Треугольником» Емкость рабочего конденсатора — Cp
00011 Cр=4800*P/(/(√3*U²*η*cosϕ).
Емкость пускового конденсатора при любом способе подключения Cп=2,5*Cр
Расшифровка обозначений в формулах: Cр – емкость рабочего конденсатора в микрофарадах (мкф); Cп – емкость пускового конденсатора в мкф; I – ток в амперах (А); U – напряжение сети в вольтах (В); η – КПД двигателя, выраженный в процентах, деленных на 100; cosϕ – коэффициент мощности.

Полученные из калькулятора данные можно использовать для подбора конденсаторов, но именно таких номиналов, как будет рассчитано, их вряд ли можно будет найти. Только в редких исключениях могут быть совпадения. Правила подбора такие:

  • Если есть «точное попадание» в номинал емкости, который существует у нужной серии конденсаторов, то можно выбирать именно такой.
  • Если нет «попадания», то выбирают емкость, стоящую ниже по ряду номиналов. Выше не рекомендуется, особенно для рабочих конденсаторов, так как это может привести к ненужному возрастанию рабочих токов и перегреву обмоток, которое может привести к межвитковому замыканию.
  • По напряжению конденсаторы выбираются номиналом не менее, чем в 1,5 раза больше, чем напряжение в сети, так как в момент пуска напряжение на выводах конденсаторов всегда повышенное. Для однофазного напряжения в 220 В рабочее напряжение конденсатора должно быть не менее 360 В, но опытные электрики всегда советуют использовать 400 или 450 В, так как запас, как известно, «карман не тянет».

Приведем таблицу с номиналами конденсаторов рабочих и пусковых. В качестве примера приведены конденсаторы серий CBB60 и CBB65. Это полипропиленовые пленочные конденсаторы, которые наиболее часто применяют в схемах подключения асинхронных двигателей. Серия CBB65 отличается от CBB60, тем, что они помещены в металлический корпус.

В качестве пусковых применяют электролитические неполярные конденсаторы CD60. Их не рекомендуются применять в качестве рабочих так как продолжительное время их работы делает их жизнь менее продолжительной.. В принципе, для пуска подходят и CBB60, и CBB65, но они имеют при равных емкостях более объемные габариты, чем CD60. В таблице приведем примеры только тех конденсаторов, которые рекомендованы к использованию в схемах подключения электродвигателей.

Полипропиленовые пленочные конденсаторы CBB60 (российский аналог К78-17) и CBB65 Электролитические неполярные конденсаторы CD60
Изображение cbb60 cd60
Номинальное рабочее напряжение, В 400; 450; 630 В 220—275; 300; 450 В
Емкость, мкф 1,5; 2,0;2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 5,0; 6,0; 7,0; 8,0; 10; 12; 14; 15; 16; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 60; 65; 70; 75; 80; 85; 90; 100; 120; 150 мкф 5,0; 10; 15; 20; 25; 50; 75; 100; 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450; 500; 600; 700; 800; 1000; 1200; 1500 мкф

Для того, чтобы «набрать» нужную емкость, можно использовать два и более конденсатора, но при разном соединении результирующая емкость будет отличаться. При параллельном соединении она будет складываться, а при последовательном — емкость будет меньше любого из конденсаторов. Тем не менее такое соединение иногда используют для того, чтобы, соединив два конденсатора на меньшее рабочее напряжение, получить конденсатор, у которого рабочее напряжение будет суммой двух соединяемых. Например, соединив два конденсатора на 150 мкф и 250 В последовательно, получим результирующую емкость 75 мкф и рабочее напряжение 500 В.

Последовательное и параллельное соединение конденсаторов

Последовательное и параллельное соединение конденсаторов

Для того чтобы рассчитать емкость двух последовательно соединенных конденсаторов, читателям предоставляется простой калькулятор, где надо просто выбрать два конденсатора из ряда существующих номиналов.

Калькулятор расчета результирующей емкости двух последовательно соединенных конденсаторов

Возможно ли самому подключить трехфазный асинхронный двигатель в сеть 220 В?

001Обычно эту операцию доверяют только электрикам, имеющим практический опыт. Однако, подключить двигатель можно и самому. Это доказывает статья нашего портала: «Как подключить трехфазный двигатель в сеть 220 В».

Расчёт мощности и выбор статических конденсаторов

Повышение коэффициента мощности потребителей электроэнергии может быть достигнуто с помощью статических конденсаторов. Обычно в этом случае используют специально предназначенные для этих целей, так называемые «косинусные» конденсаторы, собранные из отдельных емкостей. Простота конструкции и эксплуатации статических конденсаторов, относительно невысокая их стоимость и высокий коэффициент полезного действия, достигающий 99% и выше, являются причиной того, что для целей компенсации cos ц они получили весьма широкое распространение как в нашей стране, так и за рубежом (п. 11.4. [3]).

Особенно широко применяют конденсаторы для компенсации коэффициента мощности отдельных электродвигателей переменного тока, а также небольших фабрично-заводских установок. Однако следует отметить, что статическим конденсаторам свойственны некоторые недостатки. Так, при значительных мощностях и высоких номинальных напряжениях стоимость статических конденсаторов может оказаться несколько выше, чем стоимость других источников реактивной мощности, например, синхронных компенсаторов. Другим недостатком статических конденсаторов является то, что при включении в сети, напряжения которых содержат высшие гармонические, конденсаторы потребляют ток, действующее значение которого может оказаться значительным, так как проводимость конденсаторов с повышением частоты питающего напряжения увеличивается и реактивное сопротивление его оказывается ничтожным для гармоник тока, порядок которых выше основной гармоники. Это может привести к значительному падению напряжения в проводах питающей сети. Во избежание этого для сетей с несинусоидальным напряжением рекомендуется последовательно со статическими конденсаторами включать дроссельные катушки, которые, как известно, представляют значительное реактивное сопротивление для высших гармонических токов и могут ограничивать величину этих токов в заданных пределах.

Следует, однако, отметить, что включение наряду с конденсатором индуктивного сопротивления способствует уменьшению коэффициента полезного действия компенсирующего устройства в целом (конденсатора и дроссельной катушки) до 95. 96%.

В подавляющем большинстве случаев приходится выбирать величину емкости компенсирующего устройства для условий синусоидального напряжения без заметного содержания высших гармонических.

Различают следующие виды компенсации коэффициента мощности с помощью батареи статических конденсаторов: индивидуальную, групповую и централизованную.

При индивидуальной компенсации статические конденсаторы устанавливают непосредственно у потребителя электроэнергии. При групповой на отдельных линиях, питающих группу потребителей электроэнергии. При централизованной компенсации конденсаторы устанавливают на подстанции, питающей данное производственное предприятие.

Следует заметить, что при групповой и централизованной компенсации от реактивного тока разгружаются только основные питающие сети, в то время как при индивидуальной компенсации разгружаются все электрические сети системы в целом.

Таким образом, коэффициент мощности потребителя электроэнергии, имеющего реактивно-индуктивный характер нагрузки, можно повысить, подключая к зажимам токоприемников конденсаторы соответствующей емкости. При этом реактивная индуктивная составляющая мощности установки будет частично или полностью скомпенсирована реактивной емкостной составляющей мощности конденсаторов В этом случае конденсаторы играют роль своеобразных генераторов реактивной мощности.

Подключая конденсаторы к зажимам потребителя, можно повысить коэффициент мощности (в зависимости от величины емкости) до желаемых пределов. Однако компенсация коэффициента мощности с помощью статических конденсаторов обычно ограничивается значениями 0,92. 0,95, поскольку дальнейшее увеличение коэффициента мощности нерационально, так как ток сети уменьшается весьма незначительно, несмотря на значительное увеличение мощности батареи конденсаторов

Если потребитель электроэнергии имеет коэффициент мощности cosц1 и его необходимо повысить до нового, большего значения cosц2, то мощность батареи конденсаторов, необходимая для этих целей, может быть рассчитана по следующей формуле, квар:

где — номинальная мощность потребителя, кВт; ц1, и ц2 —углы сдвига фаз между напряжением и током соответственно до и после компенсации (определяются по значениям cos ц1 и cos ц2), — номинальное значение КПД потребителя.

В соответствии с этим емкость каждой фазы трехфазной конденсаторной батареи, мкФ, может быть определена по формуле

где — фазное напряжение на зажимах конденсаторной батареи, В; — частота переменного тока, Гц.

Из выражения (2) следует, что требуемая для заданных условий емкость конденсаторной батареи обратно пропорциональна квадрату напряжения. Поэтому с точки зрения уменьшения емкости конденсаторов для целей компенсации при прочих равных условиях, если это возможно, следует отдавать предпочтение включению конденсаторов на более высокие напряжения. При этом конденсаторная батарея может быть включена звездой или треугольником. При соединении треугольником напряжение каждой фазы конденсаторной батареи оказывается равным линейному напряжению сети, т. е. Uф = Uл. Если учесть, что линейное напряжение при соединении батареи конденсаторов звездой , т. е. в раз больше фазного, то при соединении треугольником требуемая для компенсации коэффициента мощности в заданных пределах емкость конденсаторной батареи оказывается втрое меньшей, чем при соединении ее звездой. Поэтому включение батареи конденсаторов треугольником следует считать предпочтительным, если это допускает рабочее значение напряжения конденсаторов.

Силовые конденсаторы: как правильно выбрать

Силовые конденсаторы: как правильно выбрать 23 июня 2010

Для современных мощных импульсных устройств, использующих в качестве силовых ключей транзисторы MOSFET или IGBT, характерны режимы работы, связанные с высокими скоростями коммутации токов в десятки, сотни и даже тысячи ампер. Как правило, специалисты не особо задумываются о расчете режимов при выборе конденсаторов для
маломощных схем. Такая «невнимательность» совершенно недопустима при расчете конденсаторов устройств силовой преобразовательной техники. Неграмотный их выбор и неправильный расчет режимов его работы может заметно снизить надежность аппаратуры и стать причиной неожиданных отказов.
Если сгруппировать все известные факторы, влияющие на безотказность работы, то причин выхода из строя всего две: — превышение максимальных параметров;
— нарушение условий эксплуатации.
С точки зрения большинства производителей, наиболее значимыми факторами являются:
— импульсные, пульсирующие, эффективные токи, не соответствующие максимально допустимой рассеиваемой тепловой мощности;
— пиковые, импульсные, действующие значения напряжений и недопустимая скорость их изменения;
— локальный перегрев и превышение допустимого значения окружающей температуры;
— неверные параметры электрических соединений;
— механические воздействия.
Первые два фактора можно и нужно учитывать еще на этапе расчета электромагнитных и тепловых процессов при проектирования устройства.

Как правило, производители конденсаторов в технической документации приводят минимальный набор параметров: предельное напряжение, номинальный ток, максимально допустимую амплитуду импульсного тока, тангенс угла потерь; реже приводят эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), эквивалентную последовательную индуктивность (ESL). В спецификациях более «продвинутых» изготовителей можно найти переходные тепловые сопротивления, максимальные значения ударных токов и показатели надежности [1].

Упрощенная методика выбора

Напряжения.

Выбираемый конденсатор должен иметь допустимые значения перенапряжений (пиковое напряжение Us), номинальное значение постоянного напряжения (Undc) и среднеквадратичного напряжения (Urms) выше, чем те, которые будут иметь место в процессе работы. Считают, что напряжение UNDC должно быть выше, чем сумма компонента постоянной составляющей DC и повторяющихся пиковых AC компонентов.
Нормальная работа вполне возможна с предельно допустимыми значениями номинальных напряжений, но это снижает ожидаемый срок службы конденсатора.
При переключении в рабочее состояние, остаточные напряжения до подачи питания не должны превышать 10% номинального напряжения.

Токи и частоты.

Выбираемый конденсатор должен иметь максимально допустимое паспортное значение тока больше, чем рабочее значение Irms.
Следует учитывать [4], что:
• тепловая проверка проводится для того, чтобы убедиться, что максимальная Температура
при работе выбранного конденсатора не превышает максимально допустимую для данного значения IRMS
• Imax конденсаторов был рассчитан для разности температур Θh — Θ0 около 30 ° C в предположении, что подаваемое напряжение состоит из:
• основной гармоники Urms, влияющей как по потери проводимости (RS * I2 RMS), так и на потери в диэлектрике (Q tan δ0)
• Содержащиеся в напряжения гармонические составляющие влияют только на потери на активном сопротивлении (RS * I2 rms).
В действительности гармонический состав влияет также и на величину диэлектрических потерь, но это может быть оценено при расчетах только при известном спектральном составе тока. Для более точных расчетов лучше всего использовать моделирующие пакеты, позволяющие определить все электромагнитные процессы в схеме.
Более простой и быстрый способ получения значения Irmsс (и, соответственно, более
подходящий для инженеров) — моделирование схемы на PSPICE. Нарисовав с помощью схемного редактора свою схему и задав соответствующие значения элементов схемы и выбираемой емкости в т. ч., вы можете мгновенно получить график среднеквадратичного значения тока конденсатора: RMS (Ic).
Тепловая проверка основана на предположении, что тепло генерируется в конденсаторе и передается в окружающую среду по поверхности. Возможный местный перегрев (плохое соединение, горячие компоненты по соседству, работы с гармониками высоких частот т. д. ) может приводить к внезапным отказам или снижению ожидаемого срока службы. В случае возникновения сомнений должны быть проведены специальные тесты с помощью термопар, чтобы убедиться, что температура горячей точки не превышает максимума даже для самых критических внешних условий.
«Горячая точка» или место максимального локального перегрева получается в результате тепловыделения и ограниченной теплопроводности из внутренней области конденсатора на внешнюю поверхность корпуса. Из-за ограничения температуры органических диэлектриков и ускоренного старения диэлектрика с ростом температуры, конструкция долгоживущиих конденсаторов разрабатывается такой, чтобы обеспечить превышение максимальной температуры горячей точкой значения не более 10 ° C [2]. Диэлектрики, как правило, являются отличными электрическими и тепловыми изоляторами, с небольшими исключениями.
Теплопроводность полипропилена, например, составляет 0,17 Вт / м / ° K по сравнению с 222 Вт / м / ° K для алюминия.

Тепловые потери.

Чтобы оценить возможность использования конденсатора, для имеющихся в схеме величин напряжений и токов, должна быть определена допустимая температура окружающей среды. Это может быть выполнено после вычисления рассеиваемой мощности при помощи диаграммы зависимости допустимой температуры окружающей среды TA от суммарной рассеиваемой мощности P [3].
Суммарные потери проще всего оценить через среднеквадратичное (RMS) значение
переменного тока I, текущего через конденсатор, и значения эквивалентных сопротивлений.
Общее омическое сопротивление R состоит из сопротивления фольги, электродов и выводов.

Вычисление рассеиваемой мощности P

Рассеиваемая мощность P складывается из диэлектрических (PD) и резистивных (PR) потерь.
С достаточной точностью можно использовать модель работы при синусоидальном напряжении переменного тока.
P = PD + PR (1)
PD = Uac2 · π · f0 · C · tg δ0

где U ac пиковое значение симметричного напряжения переменного тока, приложенного к конденсатору
f0 основная частота
C емкость
tg δ0 коэффициент рассеяния в диэлектрике

PR = I2 · RS
где I среднеквадратичное значение тока через конденсатор
RS последовательное сопротивление при максимальном значении локальной температуры

Для вычисления резистивных потерь используется значение RS при максимальной температуре.
В технических описаниях значение RS приводится для 20°C. Корректирующий коэффициент можно оценить следующим образом:
RS85 = 1.25 · RS20

Тепловое сопротивление Rth

Тепловое сопротивление определяется как отношение разности температур к мощности, рассеиваемой в конденсаторе.
Решающее значение имеет величина ΔTcap: разность температур между определенной точкой внешнего охладителя (например воздуха) окружающего конденсатор и точкой в «горячей зоне» конденсатора (зоне с наивысшей температурой внутри корпуса).
В устойчивом состоянии (термодинамическом равновесии):
Rth= ΔTcap / P (2)
где Rth тепловое сопротивление
ΔTcap разность температур между горячей зоной и окружающей средой
P рассеиваемая мощность

Тепловая постоянная времени ξth

Тепловая постоянная времени может быть вычислена для современных полипропиленовых конденсаторов с достаточной точностью как произведение удельной теплоемкости (около 1.3 Вт·с/К·г), массы конденсатора, и теплового сопротивления в рабочей точке.

ξth= m · Сthcap · Rth
ξth тепловая постоянная времени
Rth тепловое сопротивление
m масса (вес) конденсатора
cthcap удельная теплоемкость

Продолжительность работы под нагрузкой tLD в зависимости от температуры T

Продолжительность работы под нагрузкой для конденсатора с органическим диэлектриком зависит кроме всего прочего от температуры, возникающей в процессе работы в горячей зоне конденсатора. Взяв производную от уравнения Аррениуса (описывающего температурнозависимый процесс старения) может быть выведена функциональная зависимость продолжительности работы под нагрузкой при температуре в горячей зоне незначительно отличающейся от максимального значения (Ths=THS…THS-7°C)

tLDThs = tLDTHs · 2 (THS — Ths) / ka

tLDThs продолжительность работы под нагрузкой при рабочей температуре
tLDTHS продолжительность работы под нагрузкой при максимальной температуре
THS макс. температура горячей зоны
Ths рабочая температура горячей зоны
k­a коэффициент Аррениуса

Продолжительность работы под нагрузкой tLD в зависимости от напряжения

Продолжительность работы при рабочих напряжениях может быть предсказана только в сравнительно узком диапазоне напряжений (U=0.9…1.1·UR). Зависимость продолжительности работы от рабочего напряжения может быть приблизительно выражена в виде степенной функции.

tLDV = tLDVR ( UR / U) n
tLDV продолжительность работы при рабочем напряжении ч
tLDVR продолжительность работы при номинальном напряжении
UR номинальное напряжение
U рабочее напряжение
n показатель степени

Основы автоэлектрики. Часть5. Электрическая ёмкость и конденсаторы

Сегодня мы коснёмся темы накопителей заряда, именуемых конденсаторами.

Конденсатор — пассивный электронный компонент, состоящий из двух полюсов, накапливающий заряд.

Электрическая ёмкость — это отношение электрического заряда к разности потенциалов между полюсами конденсатора (или иного другого электронного компонента). Единица измерения — Фарад и его производные (пикоФарад, наноФарад, микроФарад). Обозначается ёмкость латинской буквой С.

Мы уже обсуждали, что ток — это есть скорость перемещения заряда, а напряжение — это разность потенциалов. Мы всегда удобно проводить некие параллели, поэтому напряжение ассоциируется с разницей давления в жидкости или газе, а ток — с объёмной скоростью жидкости или газа. Поэтому конденсатор можно представить себе как некий сосуд, который наполняют жидкостью или газом давлением, которое выше чем в сосуде. Наполнение сосуда будет происходить до тех пор, пока давление подачи не уровняется с давлением в сосуде. Так и работает конденсатор: по мере наполнения зарядом растет напряжение. Чем ближе будет напряжение в конденсаторе к напряжению заряжающего источника, тем меньше будет скорость заряда. Это аналогично тому, как наполняется сосуд. Если мы заполнили сосуд, затем открыли кран у него — ток начинает утекать, тем самым снижая количество заряда и понижая напряжение.

Если рассматривать провод или резистор как трубу, а конденсатор — как сосуд, многое становится понятно на интуитивном уровне. Ну, и проще понять реактивные сопротивления, о которых мы говорили ранее. Но надо понимать, что сосуд — это сосуд, а конденсатор — это конденсатор=)

Итак, в простейшем виде конденсатор представляет собой две параллельные пластины, между которыми находится некий диэлектрик. Самый простой диэлектрик — это воздух. Конечно, сегодня воздушные конденсаторы уже и не встретить, но я ещё несколько лет назад использовал переменный воздушный конденсатор для сборки радиоприёмника=) Правда, в этом конденсаторе пластин было гораздо больше двух, и выглядел примерно вот так:

Вращая ручку, можно было изменять значение электрической ёмкости.

На, а вот так обычно представляют простейший конденсатор:

В случае такого конденсатора ёмкость вычисляется следующим образом:

Сегодня конденсаторов огромное множество. Наиболее популярные — керамические, электролитические и танталовые. Отличие последних двух в том, что они полярны, и крайне не рекомендую включать их в схему обратной полярностью=)

Основными параметрами конденсатора являются:
— Электрическая ёмкость,
— Максимально допустимое напряжение на его обкладках (немаловажный параметр, при подачи бОльшего напряжения можно увидеть много весёлых, но крайне не безопасных эффектов:-), особенно на конденсаторах большой ёмкости),
— Полярность (т.е. полярный или неполярный),
— Допустимые отклонения от номинального значения ёмкости (обычно в процентах),
— Диапазон рабочих температур,
— Тип корпуса.

Полярность, допустимые отклонения и диапазон температур напрямую зависят от применяемого диэлектрика. Как правило, конденсаторы большой ёмкости — электролитические, т.е. в качестве диэлектрика — электролит. А электролитические конденсаторы по физике процессов сильно напоминают всем знакомые свинцово-кислотные аккумуляторы и аналогично им имеют полярность, что приводит к некоторым ограничениям. Кроме того, они имеют свойство высыхать. И именно они являются частой причиной выхода из строя бытовой и промышленной электроники, в результате чего страдают и иные компоненты. Выглядят электролитические конденсаторы так:

Танталовые конденсаторы были некогда призваны заменить электролитические, но и те имеют ряд ограничений и так и не достигли приличных ёмкостей. Кроме того, взрываются они не менее весело=) Выглядят они вот так:

Спешу обрадовать, что развитие электроники не стоит на месте и сегодня вполне можно приобрести обычные керамические конденсаторы с ёмкостью, сравнимой с танталовыми, а некоторые достигают ёмкости 330 мкФ при допустимом напряжении в 4 В. И это всё в малом чип-корпусе 1206!
Кстати, размеры основных корпусов чип-конденсаторов:

Ну, и не все конденсаторы в чипах, поэтому существуют и выводные конденсаторы:

Причина такому прорыву — отличный диэлектрик под кодовым названием X5R. 330 мкФ при 4В — не густо конечно. Но на большие напряжения ёмкости также достигли впечатляющих значений — на те же 16В найти 100 мкФ не проблема, на 25 В — на 22 мкФ, на 35-50 В пока не больше 10 мкФ. Тем не менее, во многих и многих приложениях электроники появляется возможность отказаться от электролитов и танталов.

Вернемся к основным свойствам. Если рассматривать глубже, то параметров конденсаторов гораздо больше:
— Температурная зависимость параметров,
— Входное сопротивление (ESR),
— Внутреннее сопротивление,
— Время наработки на отказ (очень интересный параметр, которому реально посвятить целую статью),
— многие другие.

Расписывать здесь все детали не вижу смысла, так эти параметры важны тем, кто глубоко занимается электроникой. Тем не менее счел важным упомянуть о них. Кому захочется капнуть — можно порыться в сети.

Помимо указанных выше конденсаторов следует немного сказать о плёночных конденсаторах. Выглядят они вот так:

Их основное отличие от предыдущих — это поражающая надежность и способность работать в силовых цепях, особенно в цепях с высоким напряжением.

Наверное, сегодня краткого обзора будет достаточно. О применении конденсаторов поговорим в следующих статьях.

В прошлой статье писал, но и здесь напомню, что конденсаторы на схемах обозначаются так:

На сим всё;)
Продолжение следует=)
___________________________________________________________________________

Электрическая емкость. Конденсаторы

Проводники и диэлектрики в электростатическом поле. Диэлектрическая проницаемость вещества. Электроемкость. Конденсаторы. Поле плоского конденсатора. Электроемкость плоского конденсатора. Последовательное и параллельное соединение конденсаторов. Энергия заряженного конденсатора.

Проводники и диэлектрики в электростатическом поле

Вещества в природе можно разделить на проводники и диэлектрики.

Основная особенность — наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника.

Типичные проводники — металлы.

Диэлектрическая проницаемость вещества

В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды. Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды — индукционными зарядами.

В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

Физическая величина, равная отношению модуля напряженности (vec_0) внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности (vec) полного поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества (varepsilon) .

Электроемкостью системы из двух проводников называется физическая величина, определяемая как отношение заряда (q) одного из проводников к разности потенциалов (Delta varphi) между ними:

Единицы измерения: (displaystyle [text<Ф>]) (фарад).

Величина электроемкости зависит от формы и размеров проводников и от свойств диэлектрика, разделяющего проводники.

Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле оказывается сосредоточенным (локализованным) лишь в некоторой области пространства. Такие системы называются конденсаторами , а проводники, составляющие конденсатор, — обкладками .

Плоский конденсатор — система из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика.

Электроемкость плоского конденсатора

Разность потенциалов (Delta varphi) между пластинами в однородном электрическом поле равна (Ed) , где (d) — расстояние между пластинами. Из этих соотношений можно получить формулу для электроемкости плоского конденсатора:

Таким образом, электроемкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин (обкладок) и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Если пространство между обкладками заполнено диэлектриком, электроемкость конденсатора увеличивается в (varepsilon) раз:

Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между пластинами; однако, вблизи краев пластин и в окружающем пространстве также возникает сравнительно слабое электрическое поле, которое называют полем рассеяния. В целом ряде задач приближенно можно пренебрегать полем рассеяния и полагать, что электрическое поле плоского конденсатора целиком сосредоточено между его обкладками.

Последовательное и параллельное соединение конденсаторов

Для достижения нужной емкости или при напряжении, превышающем номинальное напряжение, конденсаторы, могут соединяться последовательно или параллельно. Любое же сложное соединение состоит из нескольких комбинаций последовательного и параллельного соединений.

Последовательное соединение конденсаторов

При последовательном соединении, конденсаторы подключены таким образом, что только первый и последний конденсатор подключены к источнику тока одной из своих пластин. Заряд одинаков на всех пластинах , но внешние заряжаются от источника, а внутренние образуются только за счет разделения зарядов ранее нейтрализовавших друг друга. При этом заряд конденсаторов в батарее меньше, чем, если бы каждый конденсатор подключался бы отдельно. Следовательно, и общая емкость батареи конденсаторов меньше.

Напряжение на данном участке цепи соотносятся следующим образом:

Зная, что напряжение конденсатора можно представить через заряд и емкость, запишем:

Сократив выражение на (Q) , получим формулу:

Откуда эквивалентная емкость батареи конденсаторов соединенных последовательно:

Параллельное соединение конденсаторов

При параллельном соединении конденсаторов напряжение на обкладках одинаковое, а заряды разные.

Величина общего заряда полученного конденсаторами, равна сумме зарядов всех параллельно подключенных конденсаторов. В случае батареи из двух конденсаторов:

Так как заряд конденсатора

А напряжения на каждом из конденсаторов равны, получаем следующее выражение для эквивалентной емкости двух параллельно соединенных конденсаторов

По сути, расчет общей емкости конденсаторов схож с расчетом общего сопротивления цепи в случае с последовательным или параллельным соединением, но при этом, зеркально противоположен.

Энергия заряженного конденсатора

Заряженный конденсатор обладает энергией. В этом можно убедиться на опыте. Если зарядить конденсатор и замкнуть его на лампочку, то (при условии того, что ёмкость конденсатора достаточно велика) лампочка ненадолго загорится. Следовательно, в заряженном конденсаторе запасена энергия, которая и выделяется при его разрядке.

Вычислим эту энергию: начнём с плоского воздушного конденсатора.

Ответим на такой вопрос: какова силу притяжения его обкладок друг к другу. Величины используем следующие: заряд конденсатора (q) , площадь обкладок (S) . Возьмём на второй обкладке настолько маленькую площадку, что заряд (q_0) этой площадки можно считать точечным. Данный заряд притягивается к первой обкладке с силой

где (E_1) — напряжённость поля первой обкладки:

Направлена эта сила параллельно линиям поля (т.е. перпендикулярно пластинам). Результирующая сила (F) притяжения второй обкладки к первой складывается из всех этих сил (F_0) , с которыми притягиваются к первой обкладке всевозможные маленькие заряды (q_0) второй обкладки. При этом суммировании постоянный множитель (displaystyledfrac<2varepsilon_0S>) вынесется за скобку, а в скобке просуммируются все (q_0) и дадут (q) . В результате получим

Предположим теперь, что расстояние между обкладками изменилось от начальной величины (d_1) до конечной величины (d_2) . Сила притяжения пластин совершает при этом работу [A = F(d_1 -d_2)]

Знак правильный: если пластины сближаются ((d_2 < d_1)) , то сила совершает положительную работу, так как пластины притягиваются друг к другу. Наоборот, если удалять пластины ((d_2 > d_1)) , то работа силы притяжения получается отрицательной, как и должно быть.

Это можно переписать следующим образом: [A =-(W_2-W_1) =-Delta W,]

Работа потенциальной силы (F) притяжения обкладок оказалась равна изменению со знаком минус величины (W) . Это как раз и означает, что (W) — потенциальная энергия взаимодействия обкладок, или энергия заряженного конденсатора. Используя соотношение (q = CU) , можно получить ещё две формулы для энергии конденсатора (проделать это самостоятельно).

Формулы (1)—(3) универсальны: они справедливы как для воздушного конденсатора, так и для конденсатора с диэлектриком.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: